TW202347505A - 光檢測器 - Google Patents

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山田隆太
太田琢士
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日商濱松赫德尼古斯股份有限公司
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Abstract

本發明之光檢測器具備：半導體光檢測元件，其包含具有第1表面、及與第1表面成相反側之第2表面之半導體層；及聚光構造體，其配置於第1表面上。半導體層包含沿第1表面或第2表面二維配置之複數個光檢測部。聚光構造體包含本體部、與金屬層。本體部具有以與複數個光檢測部對應之方式配置之複數個第1開口，包含積層於第1表面上之複數個層。金屬層以使半導體光檢測元件之表面中與複數個第1開口之各者對應之區域露出之方式覆蓋複數個第1開口之各者之內表面。於複數個第1開口之各者中，金屬層之表面呈向半導體光檢測元件之相反側擴展之形狀。

Description

光檢測器
本揭示係關於一種光檢測器。
已知有一種光檢測器，其具備：半導體光檢測元件，其包含二維配置之複數個光檢測部；及複數個微透鏡，其等以與複數個光檢測部對應之方式配置於半導體光檢測元件上(例如，參照專利文獻1)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2012-256782號公報
[發明所欲解決之問題]
於上述般之光檢測器中，若成為檢測對象之光之一部分由複數個微透鏡之各者之表面反射，則相應地，有對於複數個光檢測部之各者之聚光效率下降之虞。即，於上述般之光檢測器，於使感度提高之方面有改善之餘地。
本揭示之目的在於提供一種可使感度提高之光檢測器。 [解決問題之技術手段]
本揭示之一態樣之光檢測器具備：半導體光檢測元件，其包含具有第1表面、及與第1表面成相反側之第2表面之半導體層；及聚光構造體，其配置於第1表面上；且半導體層包含沿第1表面或第2表面二維配置之複數個光檢測部；聚光構造體包含：本體部，其具有以與複數個光檢測部對應之方式配置之複數個第1開口，包含積層於第1表面上之複數個層；及金屬層，其以使半導體光檢測元件之表面中與複數個第1開口之各者對應之區域露出之方式覆蓋複數個第1開口之各者之內表面；且於複數個第1開口之各者中，金屬層之與本體部成相反側之表面呈向半導體光檢測元件之相反側擴展之形狀。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，若成為檢測對象之光入射至聚光構造體，則於本體部具有之複數個第1開口之各者中，該光藉由金屬層之表面反射。此時，因金屬層之表面呈向半導體光檢測元件之相反側擴張之形狀，故入射至聚光構造體之光效率較佳地聚光於複數個光檢測部之各者。而且，因本體部包含複數個層，故可容易且確實地獲得金屬層之表面可成為聚光效率較高之形狀之複數個第1開口。藉此，根據本揭示之一態樣之光檢測器，可使感度提高。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為複數個第1開口之各者之內表面呈將複數個層之各者設為至少一階之階梯狀。據此，可更確實地獲得金屬層之表面可成為聚光效率較高之形狀之複數個第1開口。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為於複數個第1開口之各者之內表面中，複數個層之各者之內側之第1面之寬度為距半導體光檢測元件越遠越大。據此，因金屬層之表面成為聚光效率更高之形狀，故可進而提高對於複數個光檢測部之各者之聚光效率。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為於複數個第1開口之各者之內表面中，複數個層之各者之與半導體光檢測元件成相反側之第2面之寬度為距半導體光檢測元件越遠越小。據此，因金屬層之表面成為聚光效率更高之形狀，故可進而提高對於複數個光檢測部之各者之聚光效率。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為於複數個第1開口之各者之內表面中，複數個層之各者之內側之第1面相對於第1表面所成之傾斜角度為距半導體光檢測元件越遠越大。據此，因金屬層之表面成為聚光效率更高之形狀，故可進而提高對於複數個光檢測部之各者之聚光效率。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為複數個層之各者為包含第1材料之第1層、或包含與第1材料不同之第2材料之第2層，第1層與第2層交替積層。據此，例如於自半導體光檢測元件之相反側蝕刻第1層及第2層中之一者時可將第1層及第2層中之另一者設為蝕刻阻止層，並可更容易獲得金屬層之表面可成為聚光效率較高之形狀之複數個第1開口。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為第1層係產生壓縮應力作為內部應力之層，第2層係產生拉伸應力作為內部應力之層。據此，於本體部中可抵消複數個層所產生之應力，並可抑制半導體光檢測元件翹曲。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為第1材料為絕緣材料，第2材料為金屬材料。據此，於自半導體光檢測元件之相反側蝕刻第1層及第2層中之一者時可將第1層及第2層中之另一者設為蝕刻阻止層，且於本體部中可抵消複數個層所產生之應力。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為第2層電性連接於金屬層。據此，可抑制由於包含金屬材料之第2層成為電性浮動狀態導致對半導體光檢測元件造成不良影響。
本揭示之一態樣之光檢測器亦可進而具備：保護層，其覆蓋金屬層之表面、及半導體光檢測元件之表面中與複數個第1開口之各者對應之區域。據此，可抑制金屬層之表面、及半導體光檢測元件之表面中與複數個光檢測部之各者對應之區域劣化。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為複數個光檢測部之各者包含第1導電型之第1半導體區域及第2導電型之第2半導體區域，第2半導體區域以與複數個第1開口之各者對應之方式，相對於第1半導體區域位於第1表面側，複數個光檢測部之各者之第2半導體區域、及複數個第1開口之各者之藉由聚光構造體之下擺部所包圍之區域於自與第1表面垂直之方向觀察之情形時，呈具有倒角之複數個角部之多角形狀。據此，可將對複數個光檢測部之各者之聚光效率維持得較高，且確實地抑制對上述複數個角部之電場集中所致之雜訊之增加及崩潰。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為複數個光檢測部之各者之第2半導體區域、及複數個第1開口之各者之藉由聚光構造體之下擺部所包圍之區域於自與第1表面垂直之方向觀察之情形時，呈具有倒角之四個角部作為複數個角部之矩形狀。據此，可將對複數個光檢測部之各者之聚光效率維持得較高，且確實地抑制對上述四個角部之電場集中所致之雜訊之增加及崩潰，且可謀求構造之簡化。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為複數個光檢測部之各者之第2半導體區域、及複數個第1開口之各者之藉由聚光構造體之下擺部所包圍之區域於自與第1表面垂直之方向觀察之情形時，呈具有倒角之六個角部作為複數個角部之六角形狀。據此，例如與複數個光檢測部之各者之第2半導體區域呈矩形狀之情形相比，可減少不感區域之比例。又，例如與複數個光檢測部之各者之第2半導體區域呈矩形狀之情形相比，因上述六個角部之各者之內角變大，故可更確實地抑制對上述六個角部之電場集中。再者，例如與複數個光檢測部之各者之第2半導體區域呈矩形狀之情形相比，因金屬層之表面成為聚光效率更高之形狀，故可進而提高對複數個光檢測部之各者之聚光效率。藉由以上，可將對複數個光檢測部之各者之聚光效率維持得更高，且更確實地抑制對上述六個角部之電場集中所致之雜訊之增加及崩潰。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為複數個角部以圓狀倒角。據此，可將對複數個光檢測部之各者之聚光效率維持得更高，且更確實地抑制對上述複數個角部之電場集中所致之雜訊之增加及崩潰。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為第1半導體區域及第2半導體區域構成雪崩光電二極體，半導體光檢測元件進而包含形成於第1表面之配線層，配線層包含：複數個淬滅電阻，其等以與複數個光檢測部對應之方式配置；及讀出配線，其具有以與複數個光檢測部對應之方式配置之複數個第2開口；且複數個淬滅電阻之各者之一端電性連接於複數個光檢測部之各者之第2半導體區域，複數個淬滅電阻之各者之另一端電性連接於讀出配線。據此，可使半導體光檢測元件作為SiPM(silicon photo-multiplier：矽光電倍增器)發揮功能。雖為擴展SiPM之動態範圍，而需增加光檢測部之數量，但若維持元件尺寸且增加光檢測部之數量，則有不感區域之佔有率增加而感度下降之虞。然而，因本揭示之一態樣之光檢測器具備上述聚光構造體，故即使於維持元件尺寸且增加光檢測部之數量之情形時，亦可提高對複數個光檢測部之各者之聚光效率。因此，於作為SiPM發揮功能之半導體光檢測元件中，可確保充分之動態範圍及充分之感度。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為複數個第2開口之各者於自與第1表面垂直之方向觀察之情形時，呈具有倒角之至少一個角部之多角形狀。據此，將對複數個光檢測部之各者之聚光效率維持得較高，且與複數個角部未倒角之情形相比，可抑制對角部之電場集中所致之崩潰。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為複數個淬滅電阻之各者於自與第1表面垂直之方向觀察之情形時與複數個光檢測部之各者之第2半導體區域之外緣重疊，複數個第1開口之各者之聚光構造體之下擺部於自與第1表面垂直之方向觀察之情形時，與複數個淬滅電阻之各者之一部分重疊。據此，例如藉由光透過性材料形成淬滅電阻，藉此可提高複數個光檢測部之各者之開口率。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為複數個淬滅電阻之各者於自與第1表面垂直之方向觀察之情形時與複數個光檢測部之各者之第2半導體區域之外緣重疊，複數個第1開口之各者之聚光構造體之下擺部於自與第1表面垂直之方向觀察之情形時，與複數個光檢測部之各者之第2半導體區域之外緣、及複數個淬滅電阻之各者之整體重疊。據此，因藉由利用淬滅電阻於金屬層形成階差，金屬層之表面成為聚光效率更高之形狀，故可進而提高對複數個光檢測部之各者之聚光效率。又，因聚光構造體之下擺部與淬滅電阻之整體重疊，故可使聚光構造體之形狀穩定性提高。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為半導體層具有以相互隔開複數個光檢測部之各者之方式延伸之溝槽，聚光構造體之與半導體光檢測元件成相反側之頂部、及溝槽於自與第1表面垂直之方向觀察之情形時包含於讀出配線。據此，可平衡較佳地獲得聚光構造體之聚光效率之提高、溝槽之串擾(光學串擾及電性串擾)之抑制、及讀出配線之伸出引起之電場集中之抑制之各效果。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為半導體層具有以相互隔開複數個光檢測部之各者之方式延伸之溝槽，溝槽於自與第1表面垂直之方向觀察之情形時包含於聚光構造體。據此，可平衡較佳地獲得聚光構造體之聚光效率之提高、及溝槽之串擾之抑制之各效果。
於本揭示之一態樣之光檢測器中，亦可為半導體光檢測元件進而包含形成於第1表面之配線層，配線層包含以與複數個光檢測部對應之方式配置之複數個環狀電極，於複數個光檢測部之各者中，第2半導體區域與溝槽之間之區域於自與第1表面垂直之方向觀察之情形時包含於複數個環狀電極之各者，複數個環狀電極之各者之內緣呈具有倒角之複數個角部之多角形狀。據此，因形成於第2半導體區域與溝槽之間之區域之空乏層藉由環狀電極覆蓋，故可抑制電場集中。又，亦可抑制對上述複數個角部之電場集中。 [發明之效果]
根據本揭示，可提供一種可使感度提高之光檢測器。
以下，參照圖式，對本揭示之實施形態進行詳細說明。另，於各圖中對同一或相當部分附加同一符號，省略重複之說明。 [光檢測器之構成]
如圖1所示，光檢測器1具備半導體光檢測元件2、聚光構造體3、及保護層4。半導體光檢測元件2包含半導體層10、與配線層20。半導體層10具有第1表面10a、及與第1表面10a成相反側之第2表面10b。配線層20形成於第1表面10a。聚光構造體3介隔配線層20配置於第1表面10a上。於以下之說明中，將與第1表面10a垂直之方向稱為Z軸方向，將與第1表面10a平行之一方向稱為X軸方向，將與Z軸方向及X軸方向之兩方向垂直之方向稱為Y軸方向。 [半導體光檢測元件之構成]
如圖2所示，半導體層10包含複數個光檢測部11。複數個光檢測部11沿第1表面10a(參照圖1)二維配置。半導體層10包含例如矽。配線層20包含共通電極21。於自Z軸方向觀察之情形時，共通電極21位於半導體光檢測元件2之中央。共通電極21包含例如Al。半導體光檢測元件2例如呈矩形板狀。複數個光檢測部11以於自Z軸方向觀察之情形時不與共通電極21重疊之方式，例如將X軸方向及Y軸方向設為列方向及行方向配置為矩陣狀。於本實施形態中，各光檢測部11為SPAD(Single Photon Avalanche Diode：單光子雪崩二極體)，且半導體光檢測元件2為SiPM。於SiPM即半導體光檢測元件2中，將各光檢測部11中產生之電荷收集於共通電極21。另，於圖2中，雖僅圖示複數個光檢測部11之一部分區域，但複數個光檢測部11配置於除共通電極21以外之全部區域。又，於圖2中，為方便起見，以實線圖示複數個光檢測部11、及共通電極21。
如圖3及圖4所示，各光檢測部11包含N型半導體區域(第1導電型之第1半導體區域)12、P型半導體區域13、及P +型半導體區域(第2導電型之第2半導體區域)14。N型半導體區域12遍及複數個光檢測部11延伸。P型半導體區域13沿第1表面10a形成於N型半導體區域12內，與N型半導體區域12構成PN接合。P +型半導體區域14沿第1表面10a形成於P型半導體區域13內，相對於N型半導體區域12中之至少一部分位於第1表面10a側。P +型半導體區域14於自Z軸方向觀察之情形時，呈具有倒角之四個角部之矩形狀。該等四個角部以圓狀倒角。於各光檢測部11中，藉由N型半導體區域12、P型半導體區域13及P +型半導體區域14構成雪崩光電二極體15(以下，稱為「APD(Avalanche Photo Diode)15」)。作為一例，自Z軸方向觀察之情形之P +型半導體區域14之一邊之長度為10 μm左右，相鄰之P +型半導體區域14之中心間距離(間距)為15 μm左右。於半導體層10中，P型雜質為例如B等之3族元素，N型雜質為例如N、P、As等之5族元素。
半導體層10具有溝槽10c。溝槽10c以相互隔開各光檢測部11之方式延伸。溝槽10c於第1表面10a開口。溝槽10c距第1表面10a之深度大於P型半導體區域13距第1表面10a之深度。於各光檢測部11中，於P型半導體區域13與溝槽10c之間，配置有N型半導體區域12之一部分。沿溝槽10c之內表面，形成有絕緣區域16。絕緣區域16包含例如SiO 2。於溝槽10c內，配置有金屬構件17。金屬構件17包含例如W。作為一例，溝槽10c之寬度為0.5 μm左右，溝槽10c之深度為4 μm左右。作為一例，P型半導體區域13與溝槽10c之間之距離(即，配置於P型半導體區域13與溝槽10c之間之N型半導體區域12之一部分之寬度)為2 μm左右。另，溝槽10c距第1表面10a之深度亦可到達第2表面10b。
配線層20除共通電極21(參照圖2)以外，包含複數個淬滅電阻22、讀出配線23、及絕緣層24。絕緣層24藉由例如包含SiO 2或SiN之複數個絕緣膜構成。複數個淬滅電阻22、及讀出配線23形成於絕緣層24內。複數個淬滅電阻22以與複數個光檢測部11對應之方式配置。一個淬滅電阻22對應於一個光檢測部11。淬滅電阻22包含例如SiCr。讀出配線23具有複數個開口(第2開口)23a。複數個開口23a以與複數個光檢測部11對應之方式配置。一個開口23a對應於一個光檢測部11。換言之，一個P +型半導體區域14於自Z軸方向觀察之情形時與一個開口23a重疊。讀出配線23遍及複數個光檢測部11延伸，電性連接於共通電極21。讀出配線23包含例如Al。溝槽10c於自Z軸方向觀察之情形時包含於讀出配線23。另，於圖3中，省略絕緣層24之圖示。
於各光檢測部11中，P +型半導體區域14及淬滅電阻22於自Z軸方向觀察之情形時配置於開口23a之內側。開口23a於自Z軸方向觀察之情形時，呈具有倒角之三個角部之矩形狀。該等三個角部以圓狀倒角。於各光檢測部11中，淬滅電阻22於自Z軸方向觀察之情形時與P +型半導體區域14之外緣14a重疊，於自Z軸方向觀察之情形時沿P +型半導體區域14之外緣14a延伸。淬滅電阻22之一端22a於外緣14a之一部分之附近，經由貫通電極25電性連接於P +型半導體區域14。貫通電極25包含例如Al。淬滅電阻22之另一端22b於開口23a中未倒角之角部，電性連接於讀出配線23。
圖5係半導體光檢測元件2之電路圖。如圖5所示，各淬滅電阻22之一端22a電性連接於各APD15之陽極。各淬滅電阻22之另一端22b經由讀出配線23電性連接於共通電極21。於半導體光檢測元件2中，各APD15以蓋革模式進行動作。於蓋革模式中，大於APD15之崩潰電壓之逆方向電壓(逆偏壓)施加於各APD15。即，於對各APD15之陽極施加電位V1之情形時，相對於電位V1為正之電位且與電位V1之差大於APD15之崩潰電壓之電位即電位V2施加於各APD15之陰極。於各APD15以蓋革模式進行動作之狀態下，若對任意且至少一個APD15入射光，則於該APD15中引起光電轉換，於該APD15中產生電荷。於該APD15中產生之電荷藉由雪崩倍增而放大，經由淬滅電阻22收集於共通電極21。收集於共通電極21之電荷作為信號輸出至外部之信號處理部。 [聚光構造體及保護層之構成]
如圖6所示，聚光構造體3包含本體部31。本體部31具有複數個開口(第1開口)32。複數個開口32以與複數個光檢測部11對應之方式配置。一個開口32對應於一個光檢測部11。換言之，一個P +型半導體區域14於自Z軸方向觀察之情形時與一個開口32重疊。本體部31介隔配線層20配置於第1表面10a上，遍及複數個光檢測部11延伸。
本體部31包含複數個層33。複數個層33介隔配線層20積層於第1表面10a上。各層33為第1層34或第2層35。於本體部31中，第1層34與第2層35交替積層。第1層34係包含絕緣材料(第1材料)之層，即產生壓縮應力作為內部應力之層。第1層34包含例如SiO 2。第2層35係包含金屬材料(與第1材料不同之第2材料)之層，即產生拉伸應力作為內部應力之層。第2層35包含例如Al。
各開口32之內表面32a呈將各層33設為至少一階之階梯狀。即，各開口32之內表面32a藉由與踢面相當之複數個第1面33a、及與踏面相當之複數個第2面33b構成。於各開口32之內表面32a中，各第1面33a係各層33之內側之面(即，朝向開口32之中心線側之面)，以包圍開口32之中心線之方式框狀(例如矩形狀)延伸。各第1面33a之寬度為例如0.5 μm左右。各第1面33a相對於第1表面10a所成之傾斜角度為例如90度。於各開口32之內表面32a中，各第2面33b係各層33之與半導體光檢測元件2成相反側之面，以包圍開口32之中心線之方式框狀(例如矩形狀)延伸。各第2面33b之寬度為例如0.5 μm左右。另，第1面33a之寬度係包含開口32之中心線之剖面之「與第1表面10a垂直之方向之第1面33a之寬度」。第1面33a相對於第1表面10a所成之傾斜角度係包含開口32之中心線之剖面之「層33側之第1表面10a與第1面33a之間之角度」。第2面33b之寬度係包含開口32之中心線之剖面之「與第1表面10a平行之方向之第2面33b之寬度」。
聚光構造體3進而包含金屬層36。金屬層36於使半導體光檢測元件2之表面中與各開口32對應之區域2a露出之狀態下，覆蓋本體部31。即，金屬層36以使半導體光檢測元件2之表面中與各開口32對應之區域2a露出之方式覆蓋各開口32之內表面32a。區域2a係於半導體光檢測元件2之表面(於本實施形態中，為配線層20之與半導體層10成相反側之表面)中，於自Z軸方向觀察之情形時與各光檢測部11之P +型半導體區域14重疊(或包含)之區域。金屬層36包含例如Al。
於各開口32中，金屬層36之與本體部31成相反側之表面36a呈向半導體光檢測元件2之相反側擴展之形狀。此處，向半導體光檢測元件2之相反側擴展之形狀不僅包含向半導體光檢測元件2之相反側連續擴展之形狀，亦包含向半導體光檢測元件2之相反側階段性擴展之形狀(即，與開口32之中心線垂直之剖面之面積具有一定之區間之形狀)。於金屬層36，電性連接有包含金屬材料之各第2層35。另，金屬層36電性連接於基準電位點(例如接地電位點)。
各開口32之藉由聚光構造體3之下擺部3a包圍之區域於自Z軸方向觀察之情形時，呈具有倒角之四個角部之矩形狀。該等四個角部以圓狀倒角。各開口32之聚光構造體3之下擺部3a係於聚光構造體3中劃定各區域2a之框狀之部分。各開口32之聚光構造體3之下擺部3a於自Z軸方向觀察之情形時，與各光檢測部11之P +型半導體區域14之外緣14a、及各淬滅電阻22之整體重疊。聚光構造體3之與半導體光檢測元件2成相反側之頂部3b於自Z軸方向觀察之情形時以相互隔開各光檢測部11之方式延伸。聚光構造體3之頂部3b於自Z軸方向觀察之情形時包含於讀出配線23。作為一例，聚光構造體3距區域2a之高度為3 μm左右，相鄰之區域2a之間之距離為5 μm左右。
保護層4覆蓋金屬層36之表面36a、及複數個區域2a。保護層4遍及複數個光檢測部11延伸。保護層4包含例如SiO 2。 [光檢測器之製造方法]
如圖7(a)所示，準備半導體光檢測元件2。接著，如圖7(b)所示，複數個層330介隔配線層20積層於第1表面10a上。各層330為絕緣層340或金屬層350。此處，絕緣層340與金屬層350交替積層。
接著，如圖8(a)及(b)以及圖9(a)所示，自距半導體光檢測元件2分開之側依序藉由蝕刻而將各層330圖案化，形成具有複數個開口32之本體部31。此時，絕緣層340成為第1層34，金屬層350成為第2層35。於各層330之蝕刻中，於蝕刻對象之層330中自半導體光檢測元件2側接觸之層330作為蝕刻阻止層發揮功能。即，於蝕刻對象之層330為絕緣層340之情形時，於該絕緣層340中自半導體光檢測元件2側接觸之金屬層350作為蝕刻阻止層發揮功能，於蝕刻對象之層330為金屬層350之情形時，於該金屬層350中自半導體光檢測元件2側接觸之絕緣層340作為蝕刻阻止層發揮功能。
接著，如圖9(b)所示，以覆蓋半導體光檢測元件2之表面中與各開口32對應之區域2a、及本體部31之方式，形成金屬層360。接著，如圖10(a)所示，藉由蝕刻去除金屬層360中各區域2a上之部分，形成金屬層36。接著，如圖10(b)所示，以覆蓋金屬層36之表面36a、及複數個區域2a之方式，形成保護層4。藉由以上，製造光檢測器1。 [作用及效果]
於光檢測器1中，若成為檢測對象之光入射至聚光構造體3，則於本體部31具有之各開口32中，該光藉由金屬層36之表面36a反射。此時，因金屬層36之表面36a呈向半導體光檢測元件2之相反側擴展之形狀，故入射至聚光構造體3之光效率較佳地聚光於各光檢測部11。而且，因本體部31包含複數個層33，故可容易且確實地獲得金屬層36之表面36a可成為聚光效率較高之形狀之複數個開口32。藉此，根據光檢測器1，可使感度提高。
於光檢測器1中，各開口32之內表面32a呈將各層33設為至少一階之階梯狀。藉此，可更確實地獲得金屬層36之表面36a可成為聚光效率較高之形狀之複數個開口32。另，各層33之厚度越小，越可進行各開口32之形狀之細微之調整，再者，各開口32之內表面32a藉由金屬層36覆蓋，藉此可於各開口32中形成平滑之表面36a。
於光檢測器1中，各層33係包含第1材料之第1層34、或包含與第1材料不同之第2材料之第2層35，第1層34與第2層35交替積層。藉此，例如於自半導體光檢測元件2之相反側蝕刻第1層34及第2層35中之一者時可將第1層34及第2層35中之另一者設為蝕刻阻止層，可更容易獲得金屬層36之表面36a可成為聚光效率較高之形狀之複數個開口32。
於光檢測器1中，各第1層34係產生壓縮應力作為內部應力之層，各第2層35係產生拉伸應力作為內部應力之層。藉此，於本體部31中可抵消複數個層33所產生之應力，並可抑制半導體光檢測元件2翹曲。
於光檢測器1中，各第1層34包含絕緣材料，各第2層35包含金屬材料。藉此，於自半導體光檢測元件2之相反側蝕刻第1層34及第2層35中之一者時可將第1層34及第2層35中之另一者設為蝕刻阻止層，且於本體部31中可抵消複數個層33所產生之應力。
於光檢測器1中，包含金屬材料之各第2層35電性連接於金屬層36。藉此，可抑制由於包含金屬材料之各第2層35成為電性浮動狀態導致對半導體光檢測元件2造成不良影響。
於光檢測器1中，保護層4覆蓋金屬層36之表面36a、及複數個區域2a。藉此，可抑制金屬層36之表面36a、及複數個區域2a劣化。
於光檢測器1中，各光檢測部11之P +型半導體區域14、及各開口32之藉由聚光構造體3之下擺部3a包圍之區域於自Z軸方向觀察之情形時，呈具有倒角之四個角部之矩形狀。藉此，可將對各光檢測部11之聚光效率維持得較高，且確實地抑制對上述四個角部之電場集中所致之雜訊之增加及崩潰，且可謀求構造之簡化。
於光檢測器1中，上述四個角部以圓狀倒角。藉此，可將對各光檢測部11之聚光效率維持得更高，且更確實地抑制對上述四個角部之電場集中所致之雜訊之增加及崩潰。
於光檢測器1中，半導體光檢測元件2作為SiPM發揮功能。雖為擴展SiPM之動態範圍，而需增加光檢測部11之數量，但若維持元件尺寸且同時增加光檢測部11之數量，則有不感區域之佔有率增加而感度下降之虞。然而，因光檢測器1具備上述之聚光構造體3，故即使於維持元件尺寸且同時增加光檢測部11之數量之情形時，亦可提高對各光檢測部11之聚光效率。因此，於作為SiPM發揮功能之半導體光檢測元件2中，可確保充分之動態範圍及充分之感度。
於光檢測器1中，讀出配線23之各開口23a於自Z軸方向觀察之情形時，呈具有倒角之至少一個角部之矩形狀。藉此，將對各光檢測部11之聚光效率維持得較高，且與四個角部未倒角之情形相比，可抑制對角部之電場集中所致之崩潰。
於光檢測器1中，各滅電阻22於自Z軸方向觀察之情形時與各光檢測部11之P +型半導體區域14之外緣14a重疊，各開口32之聚光構造體3之下擺部3a於自Z軸方向觀察之情形時，與各光檢測部11之P +型半導體區域14之外緣14a、及各淬滅電阻22之整體重疊。藉此，因藉由利用淬滅電阻22於金屬層36形成階差，而金屬層36之表面36a成為聚光效率更高之形狀，故可進而提高對各光檢測部11之聚光效率。又，因聚光構造體3之下擺部3a與淬滅電阻22之整體重疊，故可使聚光構造體3之形狀穩定性提高。
於光檢測器1中，半導體層10具有以相互隔開各光檢測部11之方式延伸之溝槽10c，聚光構造體3之頂部3b、及溝槽10c於自Z軸方向觀察之情形時包含於讀出配線23。藉此，可平衡較佳地獲得聚光構造體3之聚光效率之提高、溝槽10c之串擾(光學串擾及電性串擾)之抑制、及讀出配線23之伸出引起之電場集中之抑制之各效果。又，藉由形成於P +型半導體區域14與溝槽10c之間之區域之空乏層由讀出配線23覆蓋而可較佳地抑制電場集中，藉由形成於P +型半導體區域14與溝槽10c之間之區域之PN接合界面由讀出配線23覆蓋而可更佳地抑制電場集中。
此處，對可進而提高對各光檢測部11之聚光效率之聚光構造體3之構成進行說明。為進而提高對各光檢測部11之聚光效率，而只要於各開口32中使金屬層36之表面36a之形狀接近CPC(Compound Parabolic Concentrator：複合拋物線型集中器)形狀即可。用於實現此之聚光構造體3之構成係如下所述。即，如圖11所示，於各開口32之內表面32a中，若各層33之第1面33a之寬度W1為距半導體光檢測元件2越遠越大，則金屬層36之表面36a之形狀接近CPC形狀。又，於各開口32之內表面32a中，若各層33之第2面33b之寬度W2為距半導體光檢測元件2越遠越小，則金屬層36之表面36a之形狀接近CPC形狀。又，於各開口32之內表面32a中，若各層33之第1面33a相對於第1表面10a所成之傾斜角度θ距半導體光檢測元件2越遠越大，則金屬層36之表面36a之形狀接近CPC形狀。若將以上構成中之至少一個構成應用於聚光構造體3，則因金屬層36之表面36a成為聚光效率更高之形狀，故可進而提高對各光檢測部11之聚光效率。 [變化例]
本揭示不限定於上述之實施形態。例如，於作為SiPM發揮功能之半導體光檢測元件2中，各光檢測部11可具有N型與P型相反之構成等其他構成。作為一例，上述之N型半導體區域(第1導電型之第1半導體區域)12、P型半導體區域13及P +型半導體區域(第2導電型之第2半導體區域)14可分別為P型半導體區域(第1導電型之第1半導體區域)、N -型半導體區域及N型半導體區域(第2導電型之第2半導體區域)。又，各光檢測部11若為構成包含P型半導體區域及N型半導體區域之光電二極體者，則不限定於構成雪崩光電二極體者。又，半導體光檢測元件2可為背面入射型。即，半導體層10可包含沿第2表面10b二維配置之複數個光檢測部11。於該情形時，於第2表面10b開口之溝槽10c，即以相互隔開各光檢測部11之方式延伸之溝槽10c亦可形成於半導體層10。
於半導體光檢測元件2中，配線層20可不形成於第1表面10a。於該情形時，聚光構造體3可直接配置於第1表面10a上。即，本體部31之複數個層33亦可直接積層於第1表面10a上。
於光檢測器1中，各光檢測部11之P +型半導體區域14、及各開口32之藉由聚光構造體3之下擺部3a包圍之區域於自Z軸方向觀察之情形時，可呈「具有倒角之四個角部之矩形狀」以外之形狀(例如矩形狀以外之多角形狀、圓形狀等)。各光檢測部11之P +型半導體區域14、及各開口32之藉由聚光構造體3之下擺部3a包圍之區域於自Z軸方向觀察之情形時，若呈具有倒角之複數個角部之多角形狀，則可將對各光檢測部11之聚光效率維持得較高，且確實地抑制對上述複數個角部之電場集中所致之雜訊之增加及崩潰。於該情形時，讀出配線23之各開口23a於自Z軸方向觀察之情形時，若呈具有倒角之至少一個角部之多角形狀，則可將對各光檢測部11之聚光效率維持得更高，且與複數個角部未倒角之情形相比，可更確實地抑制對角部之電場集中所致之崩潰。
作為一例，如圖12所示，各光檢測部11之P +型半導體區域14、及各開口32之藉由聚光構造體3之下擺部3a(省略圖示)包圍之區域於自Z軸方向觀察之情形時，可呈具有倒角之六個角部之六角形狀。據此，例如與各光檢測部11之P +型半導體區域14呈矩形狀之情形相比，可使不感區域之比例減少。又，例如與各光檢測部11之P +型半導體區域14呈矩形狀之情形相比，因上述六個角部之各者之內角變大，故可更確實地抑制對上述六個角部之電場集中。再者，例如與各光檢測部11之P +型半導體區域14呈矩形狀之情形相比，因金屬層36之表面36a成為聚光效率更高之形狀，故可進而提高對各光檢測部11之聚光效率。藉由以上，可將對各光檢測部11之聚光效率維持得更高，且更確實地抑制對上述六個角部之電場集中所致之雜訊之增加及崩潰。圖12所示之例中，若亦將上述六個角部以圓狀倒角，則可將對各光檢測部11之聚光效率維持得更高，且更確實地抑制對上述六個角部之電場集中所致之雜訊之增加及崩潰。
於聚光構造體3中，各開口23a於自Z軸方向觀察之情形時，只要呈具有倒角之至少一個角部之矩形狀即可。於該情形時，倒角形狀亦不限定於圓形狀。又，於聚光構造體3中，第1層34及第2層35只要為包含互不相同之材料之層即可。再者，於聚光構造體3中，各層33可為包含相同材料之層。又，各開口32之內表面32a亦可呈將連續之複數個層33設為一階之階梯狀。
各開口32之聚光構造體3之下擺部3a於自Z軸方向觀察之情形時，亦可與各淬滅電阻22之一部分重疊。據此，例如藉由光透過性材料(例如多晶矽)形成淬滅電阻22，藉此可提高各光檢測部11之開口率。
於光檢測器1中，於自Z軸方向觀察之情形時若溝槽10c包含於聚光構造體3，則可平衡較佳地獲得聚光構造體3之聚光效率之提高、及溝槽10c之串擾之抑制之各效果。於該情形時，配線層20包含以與複數個光檢測部11對應之方式配置之複數個環狀電極，於各光檢測部11中，第2導電型之第2半導體區域(例如P +型半導體區域14)與溝槽10c之間之區域於自Z軸方向觀察之情形時包含於各環狀電極，各環狀電極之內緣亦可呈具有倒角之複數個角部之多角形狀。據此，藉由形成於第2半導體區域與溝槽10c之間之區域之空乏層由環狀電極覆蓋而可較佳地抑制電場集中，藉由形成於第2半導體區域與溝槽10c之間之區域之PN接合界面由環狀電極覆蓋而可更佳地抑制電場集中。又，亦可抑制對上述複數個角部之電場集中。
1:光檢測器 2:半導體光檢測元件 2a:區域 3:聚光構造體 3a:下擺部 3b:頂部 4:保護層 10:半導體層 10a:第1表面 10b:第2表面 10c:溝槽 11:光檢測部 12:N型半導體區域(第1導電型之第1半導體區域) 13:P型半導體區域 14:P +型半導體區域(第2導電型之第2半導體區域) 14a:外緣 15:APD 16:絕緣區域 17:金屬構件 20:配線層 21:共通電極 22:淬滅電阻 22a:一端 22b:另一端 23:讀出配線 23a:開口(第2開口) 24:絕緣層 25:貫通電極 31:本體部 32:開口(第1開口) 32a:內表面 33:層 33a:第1面 33b:第2面 34:第1層 35:第2層 36:金屬層 36a:表面 330:層 340:絕緣層 350:金屬層 360:金屬層 V1:電位 V2:電位 W1:寬度 W2:寬度 θ:傾斜角度
圖1係一實施形態之光檢測器之側視圖。 圖2係圖1所示之半導體光檢測元件之俯視圖。 圖3係圖1所示之半導體光檢測元件之一部分之俯視圖。 圖4係沿圖3所示之IV-IV線之半導體光檢測元件之一部分之剖視圖。 圖5係圖1所示之半導體光檢測元件之電路圖。 圖6係圖1所示之光檢測器之一部分之剖視圖。 圖7(a)、(b)係用於說明圖1所示之光檢測器之製造方法之剖視圖。 圖8(a)、(b)係用於說明圖1所示之光檢測器之製造方法之剖視圖。 圖9(a)、(b)係用於說明圖1所示之光檢測器之製造方法之剖視圖。 圖10(a)、(b)係用於說明圖1所示之光檢測器之製造方法之剖視圖。 圖11係變化例之聚光構造體之一部分之剖視圖。 圖12係變化例之半導體光檢測元件之一部分之俯視圖。
1:光檢測器
2:半導體光檢測元件
2a:區域
3:聚光構造體
3a:下擺部
3b:頂部
4:保護層
10:半導體層
10a:第1表面
10b:第2表面
10c:溝槽
11:光檢測部
12:N型半導體區域(第1導電型之第1半導體區域)
13:P型半導體區域
14:P+型半導體區域(第2導電型之第2半導體區域)
14a:外緣
15:APD
16:絕緣區域
17:金屬構件
20:配線層
22:淬滅電阻
22a:一端
23:讀出配線
23a:開口(第2開口)
24:絕緣層
25:貫通電極
31:本體部
32:開口(第1開口)
32a:內表面
33:層
33a:第1面
33b:第2面
34:第1層
35:第2層
36:金屬層
36a:表面

Claims (21)

  1. 一種光檢測器，其具備： 半導體光檢測元件，其包含具有第1表面、及與上述第1表面成相反側之第2表面之半導體層；及 聚光構造體，其配置於上述第1表面上；且 上述半導體層包含沿上述第1表面或上述第2表面二維配置之複數個光檢測部； 上述聚光構造體包含： 本體部，其具有以與上述複數個光檢測部對應之方式配置之複數個第1開口，包含積層於上述第1表面上之複數個層；及 金屬層，其以使上述半導體光檢測元件之表面中與上述複數個第1開口之各者對應之區域露出之方式覆蓋上述複數個第1開口之各者之內表面；且 於上述複數個第1開口之各者中，上述金屬層之與上述本體部成相反側之表面呈向上述半導體光檢測元件之相反側擴展之形狀。
  2. 如請求項1之光檢測器，其中上述複數個第1開口之各者之上述內表面呈將上述複數個層之各者設為至少一階之階梯狀。
  3. 如請求項2之光檢測器，其中於上述複數個第1開口之各者之上述內表面中，上述複數個層之各者之內側之第1面之寬度為距上述半導體光檢測元件越遠越大。
  4. 如請求項2或3之光檢測器，其中於上述複數個第1開口之各者之上述內表面中，上述複數個層之各者之與上述半導體光檢測元件成相反側之第2面之寬度為距上述半導體光檢測元件越遠越小。
  5. 如請求項2至4中任一項之光檢測器，其中於上述複數個第1開口之各者之上述內表面中，上述複數個層之各者之內側之第1面相對於上述第1表面所成之傾斜角度為距上述半導體光檢測元件越遠越大。
  6. 如請求項1至5中任一項之光檢測器，其中上述複數個層之各者為包含第1材料之第1層、或包含與上述第1材料不同之第2材料之第2層， 上述第1層與上述第2層交替積層。
  7. 如請求項6之光檢測器，其中上述第1層係產生壓縮應力作為內部應力之層， 上述第2層係產生拉伸應力作為內部應力之層。
  8. 如請求項6或7之光檢測器，其中上述第1材料為絕緣材料， 上述第2材料為金屬材料。
  9. 如請求項8之光檢測器，其中上述第2層電性連接於上述金屬層。
  10. 如請求項1至9中任一項之光檢測器，其進而具備：保護層，其覆蓋上述金屬層之上述表面、及上述半導體光檢測元件之上述表面中與上述複數個第1開口之各者對應之上述區域。
  11. 如請求項1至10中任一項之光檢測器，其中上述複數個光檢測部之各者包含第1導電型之第1半導體區域及第2導電型之第2半導體區域， 上述第2半導體區域以與上述複數個第1開口之各者對應之方式，相對於上述第1半導體區域位於上述第1表面側， 上述複數個光檢測部之各者之上述第2半導體區域、及上述複數個第1開口之各者之藉由上述聚光構造體之下擺部所包圍之區域於自與上述第1表面垂直之方向觀察之情形時，呈具有倒角之複數個角部之多角形狀。
  12. 如請求項11之光檢測器，其中上述複數個光檢測部之各者之上述第2半導體區域、及上述複數個第1開口之各者之藉由上述聚光構造體之上述下擺部所包圍之上述區域於自與上述第1表面垂直之上述方向觀察之情形時，呈具有倒角之四個角部作為上述複數個角部之矩形狀。
  13. 如請求項11之光檢測器，其中上述複數個光檢測部之各者之上述第2半導體區域、及上述複數個第1開口之各者之藉由上述聚光構造體之上述下擺部所包圍之上述區域於自與上述第1表面垂直之上述方向觀察之情形時，呈具有倒角之六個角部作為上述複數個角部之六角形狀。
  14. 如請求項11至13中任一項之光檢測器，其中上述複數個角部以圓狀倒角。
  15. 如請求項11至14中任一項之光檢測器，其中上述第1半導體區域及上述第2半導體區域構成雪崩光電二極體， 上述半導體光檢測元件進而包含形成於上述第1表面之配線層， 上述配線層包含： 複數個淬滅電阻，其等以與上述複數個光檢測部對應之方式配置；及 讀出配線，其具有以與上述複數個光檢測部對應之方式配置之複數個第2開口；且 上述複數個淬滅電阻之各者之一端電性連接於上述複數個光檢測部之各者之上述第2半導體區域， 上述複數個淬滅電阻之各者之另一端電性連接於上述讀出配線。
  16. 如請求項15之光檢測器，其中上述複數個第2開口之各者於自與上述第1表面垂直之上述方向觀察之情形時，呈具有倒角之至少一個角部之多角形狀。
  17. 如請求項15或16之光檢測器，其中上述複數個淬滅電阻之各者於自與上述第1表面垂直之上述方向觀察之情形時與上述複數個光檢測部之各者之上述第2半導體區域之外緣重疊， 上述複數個第1開口之各者之上述聚光構造體之上述下擺部於自與上述第1表面垂直之上述方向觀察之情形時，與上述複數個淬滅電阻之各者之一部分重疊。
  18. 如請求項15或16之光檢測器，其中上述複數個淬滅電阻之各者於自與上述第1表面垂直之上述方向觀察之情形時與上述複數個光檢測部之各者之上述第2半導體區域之外緣重疊， 上述複數個第1開口之各者之上述聚光構造體之上述下擺部於自與上述第1表面垂直之上述方向觀察之情形時，與上述複數個光檢測部之各者之上述第2半導體區域之上述外緣、及上述複數個淬滅電阻之各者之整體重疊。
  19. 如請求項15至18中任一項之光檢測器，其中上述半導體層具有以相互隔開上述複數個光檢測部之各者之方式延伸之溝槽， 上述聚光構造體之與上述半導體光檢測元件成相反側之頂部、及上述溝槽於自與上述第1表面垂直之上述方向觀察之情形時包含於上述讀出配線。
  20. 如請求項11至14中任一項之光檢測器，其中上述半導體層具有以相互隔開上述複數個光檢測部之各者之方式延伸之溝槽， 上述溝槽於自與上述第1表面垂直之方向觀察之情形時包含於上述聚光構造體。
  21. 如請求項20之光檢測器，其中上述半導體光檢測元件進而包含形成於上述第1表面之配線層， 上述配線層包含以與上述複數個光檢測部對應之方式配置之複數個環狀電極， 於上述複數個光檢測部之各者中，上述第2半導體區域與上述溝槽之間之區域於自與上述第1表面垂直之方向觀察之情形時包含於上述複數個環狀電極之各者， 上述複數個環狀電極之各者之內緣呈具有倒角之複數個角部之多角形狀。
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