TWI605602B - Photodiode array - Google Patents

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TWI605602B
TWI605602B TW102137575A TW102137575A TWI605602B TW I605602 B TWI605602 B TW I605602B TW 102137575 A TW102137575 A TW 102137575A TW 102137575 A TW102137575 A TW 102137575A TW I605602 B TWI605602 B TW I605602B
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Koei Yamamoto
Terumasa Nagano
Kazuhisa Yamamura
Kenichi Sato
Ryutaro Tsuchiya
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

光二極體陣列
本發明之態樣係關於一種光二極體陣列者。
先前之光二極體陣列例如記載於專利文獻1中。於SiPM(Silicon.Photo Multiplier：矽光子倍增器)或PPD(Pixelated Photon Detector：像素化光子偵測器)等光二極體陣列中，具有將APD(雪崩光二極體)配置成矩陣狀，並聯連接複數個APD，且讀出APD輸出之和之構成。若使APD於蓋革模式下動作，則可檢測出微弱之光(光子)。即，將光子入射至APD之情形時，於APD內部所產生之載流子係經由淬滅電阻及信號讀出用之配線圖案而輸出至外部。於APD之產生電子雪崩之像素中，電流流動，但於串聯連接於像素之數百kΩ左右之淬滅電阻中，產生電壓下降。藉由該電壓下降，使施加至APD之放大區域之電壓降低，由電子雪崩引起之倍增作用終止。如此，藉由入射1個光子，可自APD輸出1個脈衝信號。先前，係於構成pn接合之一半導體層設置第1接觸電極，在與連續於其之配線相同之平面內，於配線上連接電阻層。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：歐洲專利申請公開1,755,171號公報
然而，將複數個光子以較短之時間間隔入射至APD之情形時，輸出脈衝信號之間隔變短，而無法分離脈衝，從而無法進行光子計數。本發明係鑑於該課題而完成者，其目的在於提供一種提高計數率之高動態範圍之光二極體陣列。
為了解決上述問題，本發明之態樣之光二極體陣列係包含受光區域之光二極體陣列者，其特徵在於：上述受光區域包含複數個光檢測部；且各上述光檢測部包含：第1導電型之第1半導體區域；第2導電型之第2半導體區域，其與上述第1半導體區域構成pn接合；第1接觸電極，其與上述第2半導體區域接觸；第2接觸電極，其包含與上述第1接觸電極不同之材料，配置於重疊於上述第1接觸電極之位置，且與上述第1接觸電極接觸；及電阻層，其連續於上述第2接觸電極。
本態樣之光二極體陣列之情形時，藉由將第2接觸電極配置於重疊於第1接觸電極之位置，可使連接電阻層與第1接觸電極所需之空間最小化。當然，必然地，第1接觸電極與第2接觸電極並非於相同平面上，而為高度方向之位置不同，且自第2接觸電極連續延伸有電阻層。藉此，可省略光檢測部內之配線，且可顯著增加光檢測部之開口率。
因光子之入射而於pn接合中產生之載流子係經由第1接觸電極及第2接觸電極，而流入至電阻層，經由連接於電阻層之配線圖案，而取出至外部。
又，上述第2接觸電極及上述電阻層較佳包含SiCr。由於SiCr之光透射率較高，故即便於光檢測部內存在電阻層，仍會使入射之光子透射電阻層，故可增加實效之開口率。
又，上述電阻層較佳為以曲線延伸，且連接於信號讀出用之配線圖案。由於電阻層之電阻值與其長度成比例，故藉由使電阻層以曲 線延伸，可增加電阻值。又，藉由存在電阻層，可使存在於其下方之半導體層之表面狀態(surface state)穩定，且使輸出穩定。
又，上述電阻層之厚度較佳為3nm以上50nm以下。為下限值以上之情形時，可確保電阻層之均一性，為上限值以下之情形時，可使光子充分透射。
上述配線圖案包含包圍各上述光檢測部之形狀，各上述第2接觸電極位於由上述配線圖案所包圍之各光檢測區域之中央部，且上述電阻層之二維圖案包含以沿著上述第2接觸電極之周圍旋轉之方式延伸之形狀。藉由以將上述第2接觸電極配置於光檢測區域之中央部，且於其周圍旋轉之方式配置，可將電阻層之長度設定為較長。
又，於光子入射至上述光檢測部之情形時，可將由自賦予來自上述光檢測部之輸出之強度峰值之時刻、至來自上述光檢測部之輸出達到該強度峰值之37%之時刻為止之期間所規定之回復時間設為5ns以下。
又，鄰接之上述光檢測部之中心間之間隔可設為20μm以下。該情形時，顯著縮短回復時間。
又，鄰接之上述光檢測部之中心間之間隔可設為15μm以下。該情形時，更縮短上述回復時間。又，鄰接之上述光檢測部之中心間之間隔可設為10μm以下。該情形時，更縮短上述回復時間。
根據本發明態樣之光二極體，可藉由縮短其回復時間而提高計數率。
3A‧‧‧第1接觸電極
3C‧‧‧配線圖案
4‧‧‧電阻部
4A‧‧‧第2接觸電極
4B‧‧‧電阻層
4B1‧‧‧電阻層
4B2‧‧‧電阻層
4Ba‧‧‧順向旋轉區域
4Bb‧‧‧逆向旋轉區域
4C‧‧‧接觸電極
10‧‧‧光檢測部
12‧‧‧第1半導體區域
13‧‧‧第2半導體區域
14‧‧‧第2半導體區域
15‧‧‧半導體區域
16‧‧‧絕緣層
17‧‧‧絕緣層
20‧‧‧下表面電極
D1‧‧‧隔開距離之最小值
G‧‧‧中心
O‧‧‧曲率中心
Oa1‧‧‧曲率中心
Oa2‧‧‧曲率中心
Oa3‧‧‧曲率中心
Ob‧‧‧曲率中心
W0‧‧‧寬度
W1‧‧‧寬度
圖1係光二極體陣列之立體圖。
圖2係光二極體陣列之II-II箭頭縱剖面圖。
圖3係顯示朝SiCr入射之光之波長(nm)與透射率(%)之關係之圖表。
圖4係顯示光檢測部(以50μm間隔配置)之照片之圖。
圖5係顯示光檢測部(以25μm間隔配置)之照片之圖。
圖6係顯示光檢測部(以20μm間隔配置)之照片之圖。
圖7係顯示光檢測部(以15μm間隔配置：類型A)之照片之圖。
圖8係顯示光檢測部(以15μm間隔配置：類型B)之照片之圖。
圖9係顯示光檢測部(以10μm間隔配置)之照片之圖。
圖10係顯示入射光之波長(nm)與光子之檢測效率(%)之關係之圖表。
圖11(A)~(D)係顯示光二極體之輸出與時間之關係之圖表。
圖12(A)~(C)係用以針對光二極體之製造方法進行說明之圖。
圖13係變更基板之構造之光二極體陣列之縱剖面圖。
圖14係光二極體陣列之俯視圖。
以下，針對實施形態之光二極體陣列進行說明。另，對相同要件使用相同符號，並省略重複之說明。
圖1係光二極體陣列之立體圖，圖2係光二極體之II-II箭頭縱剖面圖。
該光二極體陣列於包含Si之半導體基板之表面側具備受光區域。受光區域包含複數個光檢測部(光檢測通道)10，該等光檢測部10係二維配置成矩陣狀。另，於圖1中，雖配置9列9行之光檢測部10，且該等係構成受光區域，但光檢測部10之數量可更多，或更少，又，亦可採用一維配置之構成。
於基板表面，配置圖案化成格子狀之信號讀出用之配線圖案(上表面電極)3C。另，於圖1中，為了了解內部構造，省略記載圖2所示 之絕緣層17。於格子狀之配線圖案3C之開口內規定光檢測區域。於光檢測區域內配置光檢測部10，光檢測部10之輸出係連接於配線圖案3C。
於基板背面上，設置下表面電極20。因此，若於上表面電極即配線圖案3C、與下表面電極20之間施加光檢測部10之驅動電壓，則可自配線圖案3C取出該光檢測輸出。
於pn接合中，構成其之p型半導體區域構成陽極，n型半導體區域構成陰極。以使p型半導體區域之電位高於n型半導體區域之電位之方式對光二極體施加驅動電壓之情形時，此為順向偏壓電壓，將與此相反之驅動電壓施加至光二極體之情形時，此為逆向偏壓電壓。
驅動電壓係施加至由光檢測部10之內部pn接合所構成之光二極體之逆向偏壓電壓。於將該驅動電壓設定為光二極體之崩潰電壓以上之情形時，於光二極體中產生雪崩擊穿，而使光二極體以蓋革模式進行動作。即，各光二極體係雪崩光二極體(APD)。另，即便於對光二極體施加順向偏壓電壓之情形時，光二極體仍具有光檢測功能。
於基板表面，配置電性連接於光二極體之一端之電阻部(淬滅電阻)4。電阻部4之一端係構成經由位於其正下方之其他材料之接觸電極而電性連接於光二極體之一端之接觸電極4A，另一端係構成與信號讀出用之配線圖案3C接觸且與其電性連接之接觸電極4C。即，各光檢測部10之電阻部4包含連接於光二極體之接觸電極4A、連續於接觸電極4A並以曲線延伸之電阻層4B、及連續於電阻層4B之終端部之接觸電極4C。另，接觸電極4A、電阻層4B、及接觸電極4C包含相同之電阻材料之電阻層，且該等係連續。
如此，電阻部4自其與光二極體之電性連接點以曲線延伸，而連接於信號讀出用之配線圖案3C。由於電阻部4之電阻值與其長度成比例，故藉由使電阻部4以曲線延伸，可增加其電阻值。又，藉由存在 電阻部4，可使存在於其下方之半導體區域之表面狀態穩定，且可使輸出穩定。
於圖1所示之例中，配線圖案3C雖包含包圍各光檢測部10之形狀，但配線圖案3C之形狀並非限於此，例如可設為包圍2個以上之光檢測部10之形狀，或設為包圍一行以上之光檢測部10之形狀(參照圖14)。另，於圖14中，將複數行光檢測部作為1組，且於該等之間延伸有配線圖案3C之配線。
又，如圖14所示，於各光檢測部中，藉由以覆蓋半導體區域14之邊緣之方式配置電阻層4B，可使半導體區域14之表面狀態進一步穩定。若詳細敘述之，則於自厚度方向觀察半導體區域14之輪廓上，配置電阻層4B。
包含在光檢測部10之光二極體之一端原則上於所有位置均連接於同電位之配線圖案3C，另一端連接於給與基板電位之下表面電極20。即，所有光檢測部10之光二極體係並聯連接。
另，亦可替代下表面電極20，而空出自基板表面側到達至半導體區域12之孔，以絕緣膜被覆孔之內表面之後，形成與半導體區域12接觸之貫通電極。然而，就為了提高光檢測部10之開口率而言，下表面電極20比貫通電極更佳。
於圖1所示之例中，各接觸電極4A位於由配線圖案3C所包圍之各光檢測區域之中央部。而且，電阻部4之二維圖案包含以於接觸電極4A之周圍旋轉之方式延伸之形狀。藉由以將接觸電極4A配置於各光檢測區域之中央部，且於接觸電極4A之周圍旋轉之方式配置電阻層4B，可將電阻層4B之長度設定為較長。
如圖2所示，各光檢測部10包含第1導電型(n型)之第1半導體區域(層)12、及與第1半導體區域12構成pn接合之第2導電型(p型)之第2半導體區域(半導體層13及高雜質濃度區域14)。
於該第2半導體區域之高雜質濃度區域(半導體區域)14中，接觸有第1接觸電極3A。高雜質濃度區域14係藉由將雜質擴散於半導體層13內而形成之擴散區域(半導體區域)，具有較半導體層13更高之雜質濃度。於本例(類型1)中，於n型之第1半導體區域12上形成p型之半導體層13，於半導體層13之表面側形成p型之高濃度雜質區域14。因此，構成光二極體之pn接合形成於第1半導體區域12與半導體層13之間。
另，作為半導體基板之層構造，亦可採用如上所述之使導電型反轉之構造。即，(類型2)之構造係於p型之第1半導體區域12上形成n型之半導體層13，於半導體層13之表面側形成n型之高濃度雜質區域14而形成。
又，亦可將pn接合界面形成於表面層側。該情形時，(類型3)之構造採用於n型之第1半導體區域12上形成n型之半導體層13，於半導體層13之表面側形成p型之高濃度雜質區域14之構造。另，於該構造之情形時，pn接合形成於半導體層13與半導體區域14之界面。
當然，於此種構造中，亦可使導電型反轉。即，(類型4)之構造採用於p型之第1半導體區域12上形成p型之半導體層13，於半導體層13之表面側形成n型之高濃度雜質區域14之構造。
另，可亦採用圖13所示之構造作為半導體基板之構造。
圖13係變更基板之構造之光二極體陣列之縱剖面圖。
該構造之不同點在於於上述類型1~類型4之構造中，於半導體區域14之正下方配置有半導體區域15，其他點則相同。半導體區域15具有與半導體區域14相同之導電型、或具有不同之導電型。將具有相同導電型者設為(類型1S)~(類型4S)，將具有不同導電型者設為(類型1D)~(類型4D)。另，半導體區域15之雜質濃度小於半導體區域14之雜質濃度。又，可採用B(硼)作為p型之雜質，採用P(磷)或As(砷)作為 n型之雜質。
另，上述半導體構造之各層之導電型、雜質濃度及厚度之較佳範圍係如以下所述。
(類型1)
半導體區域12(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/5×1011~1×1020cm-3/30~700μm)
半導體區域13(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
半導體區域14(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/1×1018~1×1020cm-3/10~1000nm)
(類型2)
半導體區域12(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/5×1011~1×1020cm-3/30~700μm)
半導體區域13(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
半導體區域14(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/1×1018~1×1020cm-3/10~1000nm)
(類型3)
半導體區域12(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/5×1011~1×1020cm-3/30~700μm)
半導體區域13(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
半導體區域14(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/1×1018~1×1020cm-3/10~1000nm)
(類型4)
半導體區域12(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/5×1011~1×1020cm-3/30~700μm)
半導體區域13(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
半導體區域14(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/1×1018~1×1020cm-3/10~1000nm)
(類型1S)
半導體區域12、13、14之參數與類型1相同。
半導體區域15(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
(類型2S)
半導體區域12、13、14之參數與類型2相同。
半導體區域15(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
(類型3S)
半導體區域12、13、14之參數與類型3相同。
半導體區域15(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
(類型4S)
半導體區域12、13、14之參數與類型4相同。
半導體區域15(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
(類型1D)
半導體區域12、13、14之參數與類型1相同。
半導體區域15(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
(類型2D)
半導體區域12、13、14之參數與類型2相同。
半導體區域15(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
(類型3D)
半導體區域12、13、14之參數與類型3相同。
半導體區域15(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
(類型4D)
半導體區域12、13、14之參數與類型4相同。
半導體區域15(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
另，於上述例中，最下部之半導體區域12雖構成厚度較大之半導體基板，但光檢測部10亦可於其下方進一步包含半導體基板，該情形時，半導體區域12具有較該附加之半導體基板更薄之厚度。
又，半導體區域13雖可藉磊晶生長法而形成於半導體區域12上，但亦可藉由對基板進行雜質擴散或離子注入而形成。半導體區域14、15可藉由對半導體區域13進行雜質擴散或離子注入而形成。
接著，針對圖1、圖2、圖13所示之接觸電極3A及電阻部4進行說明。
各光檢測部10包含形成於半導體基板表面上之絕緣層16。半導體區域13及半導體區域14之表面由絕緣層16所被覆。絕緣層16具有接觸孔，且於接觸孔內形成有接觸電極3A。本例之接觸電極3A包含與配線圖案3C相同之材料，且係藉由相同步驟而形成於絕緣層16上者。接觸電極3A及配線圖案3C包含金屬，具體而言為鋁(Al)。作為接觸電極3A及配線圖案3C之材料，可使用其他低電阻金屬材料(Au、Ag、Cu)，亦可採用2層以上之構造或合金。作為合金，例如可使用 包含Al、Ag、Au、Ge、Ni、Cr及Ti等金屬元素中之若干個之化合物。
於下部之絕緣層16及第1接觸電極3A上，形成有上部之絕緣層17。絕緣層16、17包含SiO2或氮化矽(SiNx)等耐熱性較高之無機絕緣體。絕緣層17具有與第1接觸電極3A同軸配置之接觸孔，且於該接觸孔內形成有第2接觸電極4A。因此，第1接觸電極3A與第2接觸電極4A係同軸配置。
第2接觸電極4A包含與第1接觸電極3A不同之材料。又，第2接觸電極4A係電阻部4之一部分，具有較第1接觸電極3A更高之電阻率。第2接觸電極4A配置於重疊於第1接觸電極3A之位置，並與第1接觸電極3A接觸。第2接觸電極4A連續於電阻層4B。
藉由將第2接觸電極4A同軸配置於重疊於第1接觸電極3A之位置，可使連接電阻層4B與第1接觸電極3A所需之空間最小化。當然，必然地，第1接觸電極3A與第2接觸電極4A並非位於相同平面上，而成為高度方向之位置不同，且自第2接觸電極4A連續延伸電阻層4B。藉此，可省略光檢測部10內之配線，且可顯著增加光檢測部之開口率。
另，接觸電極4C位於電阻層4B之終端。接觸電極4C亦為電阻部4之一部分。形成於絕緣層16上之配線圖案3C位於接觸電極4C之正下方，且接觸電極4C與配線圖案3C接觸且連接。
因光子之入射而產生於pn接合中之載流子係經由第1接觸電極3A及第2接觸電極4A，而流入至電阻層4B，經由藉由接觸電極4C而連接於電阻層4B之配線圖案3C，而取出至外部。
接觸電極4A、4C及電阻層4B雖包含相同之電阻材料，但該等亦可包含不同之材料。可單獨將半導體、或以適當之比率含有半導體及金屬之合金或化合物用作電阻材料。例如，作為電阻體，除了SiCr以 外，還可舉出NiCr、TaNi、FeCr等。
當然，接觸電極4A、4C及電阻層4B較佳為包含SiCr。由於SiCr之光透射率較高，故即便於光檢測部10內存在電阻層，仍會使入射之光子透射電阻層4B，故可增加實效之開口率。另，若SiCr之電阻值之晶圓面內不均一較小，為1mm左右，則可容易變細。又，可提高薄層電阻。多晶矽之薄層電阻為1~30(kΩ/sq.)，但SiCr為1~50(kΩ/sq.)。即，若使用SiCr，則可以較小之尺寸實現高電阻值。
電阻層4B之厚度較佳為3nm以上50nm以下。為下限值以上之情形時，可確保電阻層之均一性，為上限值以下之情形時，可充分透射光子。
圖3係顯示朝構成電阻層之SiCr入射之光之波長(nm)與透射率(%)之關係之圖表。該SiCr層之厚度為20nm。
SiCr對於波長400nm以上之光具有80%以上之透射率。有阻斷波長未達400nm之光之傾向。根據該圖表，顯示對於波長400nm以上而未達500nm之光較小之光譜峰。此意指即便於藉由濾光片阻斷500nm以上之光之情形時，波長400nm以上而未達500nm之光仍可選擇性透射。若不組合此種濾光片，則可使波長400nm以上、至少高達波長1200nm之光以80%以上之透射率透射。
製造上述光二極體陣列。
製造條件係如以下所述。
(1)構造(圖1、2之構造之數值例)
．半導體區域12：
導電型：n型(雜質：Sb(銻))
雜質濃度：5.0×1011cm-3
厚度：650μm
．半導體區域13
導電型：p型(雜質：B(硼))
雜質濃度：1.0×1014cm-3
厚度：30μm
．半導體區域14
導電型：p型(雜質：B(硼))
雜質濃度：1.0×1018cm-3
厚度：1000nm
．絕緣層16：SiO2(厚度：1000nm)
．絕緣層17：SiO2(厚度：2000nm)
．接觸電極3A：(鋁(Al))
接觸孔直徑：2.0μm
．配線圖案3C：(鋁(Al))
厚度：1.0μm
配線圖案3C之寬度W0：1.0~3.0μm
1個光檢測部10之配線圖案3C所包圍之區域(光檢測區域)之面積S：100~2500μm2
鄰接之光檢測部10之中心間之間隔X：50μm~10μm
．電阻部4：SiCr
(接觸電極4A)
接觸孔直徑：1.0μm
(電阻層4B)
電阻層4B之厚度：20nm
電阻層4B之寬度W1：1.0~3.0μm
電阻層4B之長度L1：10~50μm
電阻部4之電阻值：200~500kΩ
(接觸電極4C)
接觸孔直徑：1.0μm
(2)製法條件
．半導體區域12：CZ法((001)Si半導體基板)
．半導體區域13：Si磊晶生長法(原材料：氣相之四氯化矽(SiCl4)、三氯矽烷(trichlorosilane、SiHCl3)，生長溫度1200℃)
．半導體區域14：雜質之熱擴散法(雜質原材料：二硼烷(B2H6)，擴散溫度1200℃)
．絕緣層16：(Si熱氧化法：氧化溫度(1000℃))
．絕緣層17：(電漿CVD法：原材料氣體(四乙氧基矽烷(TEOS)及氧氣)：生長溫度(200℃))
．接觸電極3A及配線圖案3C：蒸鍍法(原料：鋁)
．電阻部4：濺射法(靶材材料：SiCr)
圖4係顯示所製造之光檢測部10(鄰接中心間之間隔X=50μm)之照片之圖。
本例之構造之參數係如以下所述。另，電阻層4B之長度係其寬度方向之中心線之長度。
．配線圖案3C之寬度W0=2.0μm
．光檢測區域之面積S=2025μm2
．電阻層4B之寬度W1=3.0μm
．電阻層4B之長度(合計長度)L1=200μm
．電阻部4之電阻值=160kΩ
電阻層4B之形狀係整體上沿著格子狀之配線圖案3C之內側面而形成為環狀。於該構造中，電阻層4B具有2個自第2接觸電極4A之位置到達至信號輸出用之接觸電極4C之路徑。即，電阻層4B具有相對長度較短之電阻層4B1、與相對長度較長之電阻層4B2。電阻層4B之電阻值係由該等長度不同之電阻層4B1與電阻層4B2之合成電阻所給 與。
於格子狀之配線圖案3C之交點，配置接觸電極4C。因此，接觸電極4C位於光檢測區域之對角線上之4部位，且該等對角線之交點成為光檢測區域(光檢測部)之中心(重心)G。鄰接之光檢測部10之中心G間之距離X為50μm。
電阻層4B1、4B2係整體上大致呈現矩形之環狀，其角部之形狀平滑地彎曲。電阻層4B1、4B2之角部之外緣之曲率中心O位於通過中心G之上述對角線上，且曲率半徑R為5.0μm，自外緣之圓弧之兩端向曲率中心O延伸之2個弦所成之角度θ為8°。另，為了避免電場集中，曲率半徑R設定為2~10μm，角度θ設定為3~14°。
自第2接觸電極4A取出之載流子係經由電阻層4B而到達至接觸電極4C，經由配線圖案3C而取出至外部。
圖5係顯示所製造之光檢測部10(鄰接中心間之間隔X=25μm)之照片之圖。
本例之構造之參數係如以下所述。
．配線圖案3C之寬度W0=1.5μm
．光檢測區域之面積S=420μm2
．電阻層4B之寬度W1=3.0μm
．電阻層4B之長度L1=70μm
．電阻部4之電阻值=250kΩ
電阻層4B之形狀係整體上沿著格子狀之配線圖案3C之內側面而形成為缺少環之一部分之形狀。於該構造中，電阻層4B具有1個自第2接觸電極4A之位置到達至信號輸出用之接觸電極4C之路徑。
於格子狀之配線圖案3C之交點，配置接觸電極4C。因此，接觸電極4C位於光檢測區域之對角線上之4部位，且該等對角線之交點成為光檢測區域(光檢測部)之中心(重心)G。於橫向鄰接之光檢測部10之 中心G間之距離X為25μm。
電阻層4B具有構成環形狀之一部分之3個角部，各角部之形狀平滑地彎曲。電阻層4B之角部之外緣之曲率中心O位於通過中心G之上述對角線上，且曲率半徑R為5.0μm，自外緣之圓弧之兩端向曲率中心O延伸之2個弦所成之角度θ為8°。另，為了避免電場集中，曲率半徑R設定為2~10μm，角度θ設定為6~37°。
自第2接觸電極4A取出之載流子係經由電阻層4B而到達至接觸電極4C，經由配線圖案3C而取出至外部。
圖6係顯示所製造之光檢測部10(鄰接中心間之間隔X=20μm)之照片之圖。
本例之構造之參數係如以下所述。
．配線圖案3C之寬度WO=1.5μm
．光檢測區域之面積S=240μm2
．電阻層4B之寬度W1=2.0μm
．電阻層4B之長度L1=55μm
．電阻部4之電阻值=300kΩ
由於光檢測部之基本構造與圖5所示者相同，故省略重複之說明。鄰接之光檢測部10之中心G間之距離X為20μm，不同點在於，圖6所示者之情形時，相對於電阻層4B之寬度W1，接觸電極4A朝向光檢測區域之內側突出之比例大於圖5者。另，於任一形態之光檢測部中，接觸電極4A、4C之中心均凹陷。鄰接於接觸電極4C之配線圖案3C、與接觸電極4A之中心位置之間之距離大於自該配線圖案3C至電阻層4B之內側之邊緣線之距離。
電阻層4B具有構成環形狀之一部分之3個角部，各角部之形狀平滑地彎曲。電阻層4B之角部之外緣之曲率中心O位於通過中心G之上述對角線上，且曲率半徑R為3.0μm，自外緣之圓弧之兩端向曲率 中心O延伸之2個弦所成之角度θ為13°。另，為了避免電場集中，曲率半徑R設定為2~5μm，角度θ設定為8~23°。
自第2接觸電極4A取出之載流子係經由電阻層4B而到達至接觸電極4C，經由配線圖案3C而取出至外部。
圖7係顯示所製造之光檢測部(鄰接中心間之間隔X=15μm：類型A)之照片之圖。於類型A之光檢測部中，接觸電極4A配置於光檢測區域之中心，電阻層4B包含一面自中心向右旋轉一面延伸之順向旋轉區域4Ba、與一面連續於順向旋轉區域4Ba而向左旋轉一面延伸之逆向旋轉區域4Bb。另，此處，將向右旋轉稱為順向旋轉。當然，亦可製造以向左方向旋轉稱為順向旋轉之構造者。
本例之構造之參數係如以下所述。
．配線圖案3C之寬度W0=1.2μm
．光檢測區域之面積S=132μm2
．電阻層4B之寬度W1=1.0μm
．電阻層4B之長度L1=78μm
．電阻部4之電阻值=600kΩ
於格子狀之配線圖案3C之交點，配置接觸電極4C，接觸電極4C位於光檢測區域之對角線上之4部位，且該等對角線之交點成為光檢測區域(光檢測部)之中心(重心)G。鄰接之光檢測部10之中心G間之距離X為15μm。
如上所述，電阻層4B具備順向旋轉區域4Ba與逆向旋轉區域4Bb。於該構造中，電阻層4B具有1個自第2接觸電極4A之位置到達至信號輸出用之接觸電極4C之路徑，但由旋轉方向不同之各區域4Ba、4Bb所形成之中心G之磁場之方向相反。即，具有因所檢測出之電子行進而形成之磁場之影響於中心位置被抵消之構造，且由自身形成磁場對檢測輸出之影響降低。
順向旋轉區域4Ba具有和緩彎曲之3個角部，但各角部之外緣之曲率中心Oa1、Oa2、Oa3位於通過中心G之上述對角線上，各曲率半徑Ra為2.0μm，自各外緣之圓弧之兩端向各曲率中心Oa1、Oa2、Oa3延伸之2個弦所成之角度θ a為19°。另，關於順向旋轉區域4Ba，為了避免電場集中，角部之曲率半徑Ra設定為2~5μm，角度θ a設定為19~58°。
逆向旋轉區域4Bb亦具有和緩彎曲之3個角部，各角部除了朝向不同以外具有相同形狀。若針對1個角度進行說明，則角部之外緣之曲率中心Ob位於通過中心G之上述對角線上，其曲率半徑Rb為2.0μm，自外緣之圓弧之兩端向各曲率中心Ob延伸之2個弦所成之角度θ b為8°。另，關於逆向旋轉區域4Bb，為了避免電場集中，角部之曲率半徑Rb設定為2~5μm，角度θ b設定為8~23°。
另，基於順向旋轉區域4Ba位於較逆向旋轉區域4Bb更內側之理由，角度θ a設定為較角度θ b更大。
位於內側之順向旋轉區域4Ba之外緣、與位於外側之逆向旋轉區域4Bb之內緣對向，但該等之隔開距離之最小值D1為0.6μm。隔開距離之最小值D1設定為0.6~2.0μm。
自第2接觸電極4A取出之載流子係經由電阻層4B而到達至接觸電極4C，經由配線圖案3C而取出至外部。
圖8係顯示所製造之光檢測部(鄰接中心間之間隔X=15μm：類型B)之照片之圖。
於類型B之光檢測部中，接觸電極4A配置於光檢測區域之中心，電阻層4B具備一面自中心於一方向旋轉一面延伸之旋轉區域。當然，於任一實施形態中，亦可製造旋轉方向為相反方向之構造者。
本例之構造之參數係如以下所述。
．配線圖案3C之寬度W0=1.2μm
．光檢測區域之面積S=132μm2
．電阻層4B之寬度W1=1.0μm
．電阻層4B之長度L1=55μm
．電阻部4之電阻值=420kΩ
於格子狀之配線圖案3C之交點，配置接觸電極4C，接觸電極4C位於光檢測區域之對角線上之4部位，且該等對角線之交點成為光檢測區域(光檢測部)之中心(重心)G。鄰接之光檢測部10之中心G間之距離X為15μm。
電阻層4B具有和緩彎曲之3個角部，但各角部之外緣之曲率中心O位於通過中心G之上述對角線上，各曲率半徑R為2.0μm，自各外緣之圓弧之兩端向各曲率中心O延伸之2個弦所成之角度θ為8°。另，為了避免電場集中，角部之曲率半徑R設定為2~5μm，角度θ設定為8~23°。
自第2接觸電極4A取出之載流子係經由電阻層4B而到達至接觸電極4C，經由配線圖案3C而取出至外部。
圖9係顯示所製造之光檢測部(鄰接中心間之間隔X=10μm)之照片之圖。
由於該光檢測部10之基本構造與圖8所示者相同，故針對相同之構造省略記載。
本例之構造之參數係如以下所述。
．配線圖案3C之寬度W0=1.2μm
．光檢測區域之面積S=42μm2
．電阻層4B之寬度W1=1.0μm
．電阻層4B之長度L1=29μm
．電阻部4之電阻值=700kΩ
於該構造中，亦為自第2接觸電極4A取出之載流子係經由電阻層 4B而到達至接觸電極4C，經由配線圖案3C而取出至外部。
另，於本例中，採用電阻層4B之寬度W1小於配線圖案3C之寬度W0，電阻部4雖然經微細化，但仍可獲得充分之電阻值之構成。
接著，針對光二極體之特性進行說明。
圖10係顯示上述光二極體之入射光之波長(nm)與光子之檢測效率(%)之關係之圖表。於該圖表中，顯示圖4之構造(50μm間隔)、圖7之構造(15μm間隔)、圖9之構造(10μm間隔)之資料。另，包含在1個光二極體陣列之光檢測部之數量分別為400個、4489個、1000個。輸入至光二極體之逆向偏壓電壓為74V，且以蓋革模式動作。另，崩潰電壓為71V。
光子檢測效率(PDE)(%)係光檢測區域越大，由電阻層造成影響之區域越少，而可獲得高檢測效率。然而，光檢測區域之鄰接間隔為10μm之情形之光檢測區域之面積相對於50μm之情形之光檢測區域之面積為約25分之一，但檢測效率維持其30%以上。15μm之情形亦相同，維持相對較高之檢測效率。
該等光譜峰之位置存在於波長400nm至500nm之範圍內。於該波長範圍(400nm以上500nm以下)內，50μm間隔之光二極體之情形時，檢測效率為44%以上，15μm間隔之光二極體之情形時，檢測效率為36%以上，10μm間隔之光二極體之情形時，檢測效率為17%以上。
另，鄰接中心間之間隔設為X=50μm而於圖4之電阻層之內側位置設置第1接觸電極，且自第1接觸電極形成與電阻層4B大致相同形狀且略小之環狀配線圖案(鋁)作為比較例1。另，該環狀配線圖案(拉出電極)位於半導體區域14之輪廓上，且具有使光檢測區域內之狀態穩定之功能。而且，與圖4所示者同樣地形成與連續於該環狀配線圖案者為相同寬度之電阻體(多晶矽：160kΩ)之情形時，檢測效率 (%)於波長400nm至500nm之範圍內，最小為44%，最大為52%。另，於比較例1之構造中，第1接觸電極之位置、與電阻體之環狀配線圖案之連接位置錯開。
又，以比較例1之間隔設為X=15μm而於圖8之電阻層之內側位置設置第1接觸電極，且自第1接觸電極形成與電阻層4B大致相同形狀且略小之環狀配線圖案(鋁)作為比較例2。另，該環狀配線圖案(拉出電極)位於半導體區域14之輪廓上，且具有使光檢測區域內之狀態穩定之功能。而且，與圖8所示者同樣地形成與連續於該環狀配線圖案者為相同寬度之電阻體(多晶矽：500kΩ)之情形時，檢測效率(%)於波長400nm至500nm之範圍內，最小為36%，最大為42%。另，於比較例2之構造中，第1接觸電極之位置、與電阻體之環狀配線圖案之連接位置錯開。
另，由於第1接觸電極之位置、與電阻體之環狀配線圖案之連接位置錯開，故設定間隔X=10μm於製造程序上較為困難。
於比較例1、2之構造中，環狀配線圖案及光透射率較低之電阻部之全部係作為降低實效之開口率之遮光要件而發揮功能，且光檢測感度降低。另一方面，實施形態之光二極體陣列中，電阻層4B雖然達成與環狀配線圖案相同之表面狀態穩定化功能，但由於具有高光透射率，又，未使用如多晶矽之附加之電阻體，故可顯著提高光檢測感度。
接著，針對回復時間(電壓回復時間)之影響，進行檢查。
圖11係顯示來自上述光二極體之輸出(蓋革模式)與時間之關係之圖表。顯示示波器之輸出影像，縱軸表示光二極體之輸出強度(增益)，縱軸之1個間隔表示50mV，橫軸之1個間隔表示5(ns)。於該圖表中，顯示峰強度電壓不同之複數個資料，此係隨著入射至光二極體之光子數之不同而不同者，光子數越多，輸出強度亦越大。於該圖表 中，施加73(V)之偏壓電壓。另，△V=輸入至光二極體之偏壓電壓-光二極體之崩潰電壓為△V=1(V)以上4(V)以下之範圍內。
光二極體之輸出信號之回復時間(τ)係規定為於光子入射至光檢測部10之情形時，自賦予來自光檢測部10之輸出之強度峰值之時刻、至來自光檢測部10之輸出達到該強度峰值之37%之時刻為止之期間。
光檢測部之間隔X=50μm(圖4)之情形時(圖11(A))，輸入至光二極體之偏壓電壓為73V之情形時，回復時間(τ)為13ns。
光檢測部之間隔X=20μm(圖6)之情形時(圖11(B))，輸入至光二極體之偏壓電壓為73V之情形時，回復時間(τ)為5.0ns。
光檢測部之間隔X=15μm(類型A：圖7)之情形時(圖11(C))，輸入至光二極體之偏壓電壓為73V之情形時，回復時間(τ)為4.3ns。
光檢測部之間隔X=10μm之情形時(圖11(D))，輸入至光二極體之偏壓電壓為73V之情形時，回復時間(τ)可設為2.3ns以下。
另，上述比較例1之情形時，回復時間(τ)為13ns，比較例2之情形之回復時間(τ)為5.0ns。
若詳細敘述之，則比較例1之構造之情形時(光檢測部10之隔開間隔X=50μm)，開口率為60%，接合電容Cj=80 fF，增益=7.5×105，回復時間13ns，像素數密度(400個/mm2)，光子之檢測效率最大為52%。
又，比較例2之構造之情形時(光檢測部10之隔開間隔X=15μm)，開口率為55%，接合電容Cj=11 fF，增益=2.0×105，回復時間4.3ns，像素數密度(4489個/mm2)，光子之檢測效率最大為42%。
另，X=15μm之情形時，於圖7及圖8之實施形態之構造中，開口率可設為60%，接合電容Cj=11 fF，增益=2.0×105，回復時間4.3ns，像素數密度(4489個/mm2)。
如此般，於實施形態之構造中，可一面達成與比較例1相同之開 口率，一面降低接合電容Cj，且縮短回復時間。又，由於每單位面積所包含之像素數較多，故可提高動態範圍。
如以上所述般，鄰接之第2接觸電極間之間隔(光檢測區域之中心間之間隔)X為20μm以下之情形時，可顯著縮短回復時間(τ)。若光檢測部之間隔X=15μm以下，則可將回復時間(τ)設為10ns以下。若將間隔X設為10μm以下，則可進一步縮短回復時間(τ)。此係先前無法達成之顯著之改善。
如上所述，於實施形態之光二極體陣列中，利用金屬薄膜電阻較高之透射率，替代比較例1、2中所使用之拉出電極，而藉由圖案化為線狀之金屬薄膜電阻形成拉出構造，並減少無效空間。為了獲得期望之電阻值，圖5~圖9所示之構造之情形時，無法藉由電阻層4B被覆半導體區域14之輪廓(邊緣)之一部分(右上角之位置)，但該部分係電阻層4B之寬度，對於表面狀態穩定化之特性降低影響較小。又，於圖4所示之構造中，被覆半導體區域14之輪廓(邊緣)之全部。
圖12係用以針對圖1及圖2所示之光二極體陣列之製造方法進行說明之圖。
首先，如圖12(A)所示，於半導體區域(半導體基板)12上，藉由磊晶生長法或雜質擴散法或離子注入法，形成半導體區域13。另，半導體區域12雖為藉由CZ法或FZ法而形成之(100)Si半導體基板，但亦可使用具有其他面方位之半導體基板。於使用Si磊晶生長法之情形時，例如使用氣相之四氯化矽(SiCl4)與三氯矽烷(trichlorosilane、SiHCl3)作為原材料，於生長溫度1200℃下，使該等氣體流至基板表面上。於雜質擴散法之情形時，將與半導體區域13之導電型對應之雜質以氣體或固體擴散於半導體區域12內。於離子注入法之情形時，將與半導體區域13之導電型對應之雜質離子注入至半導體區域12內。
接著，於半導體區域13之表面側之區域形成半導體區域14。其 可使用雜質之擴散法或離子注入法。例如，於擴散法中，使用二硼烷(B2H6)作為雜質原材料之情形時，可將擴散溫度設定為1200℃。於形成半導體區域14時，首先，藉由光微影技術於半導體區域13上形成具有開口之抗蝕劑圖案，接著，以該抗蝕劑圖案作為遮罩而進行雜質之添加。另，亦可於形成格子狀之配線圖案3C後，以此作為遮罩，經由絕緣層16且藉由離子注入法進行雜質之添加。
接著，於半導體基板上形成絕緣層16。絕緣層16可使用Si熱氧化法形成。氧化溫度為例如1000℃。藉此，使半導體區域13及14之表面氧化，而形成包含SiO2之絕緣層16。於形成絕緣層16時亦可使用CVD法。
接著，於絕緣層16之半導體區域14上之位置形成接觸孔。於形成接觸孔時，首先，藉由光微影技術於絕緣層16上形成具有開口之抗蝕劑圖案，接著，以該抗蝕劑圖案作為遮罩而蝕刻絕緣層16。作為蝕刻法，除了乾式蝕刻法以外，亦可使用藉由包含HF水溶液之蝕刻液進行之濕式蝕刻。
接著，於絕緣層16上，藉由蒸鍍法而形成第1接觸電極3A及配線圖案3C。於形成該等時，首先，藉由光微影技術於絕緣層16上形成特定之抗蝕劑圖案，接著，以該抗蝕劑圖案作為遮罩，而將電極材料蒸鍍於絕緣層16上。此處，亦可替代蒸鍍法而使用濺射法。
接著，如圖12(B)所示，於絕緣層16上形成絕緣層17。絕緣層17可使用濺射法或電漿CVD法形成。使用電漿CVD法之情形時，使用四乙氧基矽烷(TEOS)及氧氣作為原材料氣體，並將生長溫度設定為200℃左右而進行絕緣層17之生長。絕緣層17之厚度較佳為設定為使其表面平坦化之厚度，較佳為大於自絕緣層16之表面至配線圖案3C之上表面之高度。
接著，如圖12(C)所示，於絕緣層17上形成電阻部4。於該形成 時，首先藉由光微影技術於絕緣層17上形成特定之抗蝕劑圖案，接著，以該抗蝕劑圖案作為遮罩，而使用濺射法或蒸鍍法將電阻材料堆積於絕緣層17上。電阻體包含SiCr之情形時，使用濺射法，可例如使用Si與Cr之組成比為70%/30%之SiCr作為靶材材料，可將厚度設定為3~50nm。
另，製造圖13所示之構造之光檢測部之情形時，只要預先於形成半導體區域14之前，使用雜質擴散法或離子注入法將半導體區域15形成於半導體區域13之表面側即可。於雜質擴散法之情形時，將與半導體區域15之導電型對應之雜質以氣體或固體擴散於半導體區域13內。離子注入法之情形時，將與半導體區域15之導電型對應之雜質離子注入至半導體區域13內。
另，上述實施形態之情形時，電阻層4B之平面形狀為環狀或環之一部分之形狀、或螺旋形狀，但其亦可為如矩形波、三角波或正弦波般蜿蜒之形狀。
又，針對實施形態之光二極體陣列之效果，進一步進行說明。
以蓋革模式使光二極體陣列動作之情形時，使光子(photon)入射至1個光檢測部10之情形之回復時間(電壓回復時間)τ依存於由自光檢測部10之光檢測區域之面積及自pn接合擴展之耗盡層寬度所規定之接合電容(像素電容)Cj、與電阻部4之電阻值(淬滅電阻值Rq)之積(RC常數=Cj×Rq)。
由於若減小像素大小(光檢測部之面積)，則接合電容Cj變小，故為了獲得相同之回復時間τ、即、相同之RC常數，必須增大淬滅電阻值Rq。淬滅電阻值Rq可調整電阻率、厚度、寬度及長度而決定。由於電阻率、寬度、厚度係受製程條件限制，故藉由改變長度而調整電阻值Rq較為合理。為了獲得相同之回復時間τ，像素大小越大，將電阻層4B設定為越短，像素大小越小，將電阻層4B設定為越長。
於RC常數過小之情形時，產生雪崩倍增後之淬滅變得不充分，而產生稱為閉鎖電流之現象，從而未顯示正常動作。另一方面，於RC常數過大之情形時，回復時間(電壓回復時間)變長。因此，將RC常數之值設定為與裝置相應之最佳之值(2~20ns)。
另，增益依存於接合電容Cj與施加電壓，實施形態之構造藉由減小接合電容Cj而降低增益。作為光二極體陣列之雜訊成分，亦包含除了暗脈衝以外亦由後脈衝、光學串擾引起之疑似輸出信號。後脈衝係藉由將因雪崩倍增而產生之電子/電洞之一部分捕獲於雜質狀態(impurity state)等，經過某時間間隔而於之後放出，而再次發生雪崩倍增所產生之脈衝。光學串擾係因使以低概率於雪崩倍增中發生之光子進入至鄰接像素且被吸收而產生之電子/電洞對引起雪崩倍增而產生之脈衝所致者。任一者均係與1光子對應之輸出並非1脈衝而是複數脈衝之雜訊成分。
如實施形態之構造所述，由於若接合電容Cj、即、增益較小則因雪崩倍增而產生之電子/電洞對之總數變少，故因後脈衝、光學串擾發生脈衝之概率變少，而可獲得降低雜訊之效果。
由於越為接合電容Cj較大、增益較大之元件，則釋放所產生之載流子之時間越長，故電壓回復時間越長，增益越小，回復時間變短。如實施形態所述，若減小像素間距，則電壓回復時間變短，而可提高光子之計數率。
另，如上所述，光二極體陣列之受光區域包含複數個光檢測部，各光檢測部包含：基板表面側之半導體區域13(此處稱為第1半導體區域)；半導體區域14(此處稱為第2半導體區域)，其形成於該半導體區域13之內側且構成光檢測通道；電阻層4B，其電性連接於第2半導體區域14；及信號讀出用之配線圖案3C，其電性連接於電阻層4B。而且，電阻層4B介隔絕緣層16而位於第2半導體區域14上，於俯 視中，配線圖案3C包圍第2半導體區域14之周圍。
又，上述電阻層4B以於俯視中覆蓋半導體區域13與半導體區域14之間之邊界之方式配置。
上述構造可進行穩定之動作。
3A‧‧‧第1接觸電極
3C‧‧‧配線圖案
4‧‧‧電阻部
4A‧‧‧接觸電極
4B‧‧‧電阻層
4C‧‧‧接觸電極
10‧‧‧光檢測部
12‧‧‧第1半導體區域
13‧‧‧半導體層
14‧‧‧半導體區域
16‧‧‧絕緣層
17‧‧‧絕緣層
20‧‧‧下表面電極

Claims (8)

  1. 一種光二極體陣列，其包含受光區域，且特徵在於：上述受光區域包含複數個光檢測部；且各上述光檢測部包含：第1導電型之第1半導體區域；第2導電型之第2半導體區域，其與上述第1半導體區域構成pn接合；第1接觸電極，其與上述第2半導體區域接觸；第2接觸電極，其包含與上述第1接觸電極不同之材料，且與上述第1接觸電極接觸；及電阻層，其連續於上述第2接觸電極；其中上述第2接觸電極及上述電阻層包含SiCr。
  2. 如請求項1之光二極體陣列，其中上述電阻層以曲線延伸，且連接於信號讀出用之配線圖案。
  3. 如請求項1之光二極體陣列，其中上述電阻層之厚度為3nm以上50nm以下。
  4. 如請求項2之光二極體陣列，其中上述配線圖案包含包圍各上述光檢測部之形狀；各上述第2接觸電極位於由上述配線圖案所包圍之各光檢測區域之中央部；且上述電阻層之二維圖案包含以於上述第2接觸電極之周圍旋轉之方式延伸之形狀。
  5. 如請求項1之光二極體陣列，其中鄰接之上述光檢測部之中心間之間隔為20μm以下。
  6. 如請求項1之光二極體陣列，其中鄰接之上述光檢測部之中心間 之間隔為15μm以下。
  7. 如請求項1之光二極體陣列，其中鄰接之上述光檢測部之中心間之間隔為10μm以下。
  8. 如請求項1之光二極體陣列，其中於光子入射至上述光檢測部之情形時，由自賦予來自上述光檢測部之輸出之強度峰值之時刻、至來自上述光檢測部之輸出達到該強度峰值之37%之時刻為止之期間所規定之回復時間為10ns以下。
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Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11205669B2 (en) * 2014-06-09 2021-12-21 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device including photoelectric conversion element
TW202243228A (zh) * 2014-06-27 2022-11-01 日商半導體能源研究所股份有限公司 攝像裝置及電子裝置
JP2016122716A (ja) * 2014-12-24 2016-07-07 株式会社東芝 光検出装置およびこの光検出装置を備えたｃｔ装置
KR102556023B1 (ko) * 2016-02-26 2023-07-17 삼성디스플레이 주식회사 감광성 박막 소자 및 이를 포함하는 생체 정보 감지 장치
US9726841B1 (en) * 2016-07-12 2017-08-08 Inphi Corporation Integrated photo detector, method of making the same
CN109478578B (zh) * 2016-07-27 2022-01-25 浜松光子学株式会社 光检测装置
US10866229B2 (en) * 2017-01-30 2020-12-15 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for genome mapping
JP6884948B2 (ja) * 2017-03-17 2021-06-09 国立研究開発法人情報通信研究機構 高速フォトディテクターアレー
CN107275433B (zh) * 2017-03-29 2018-12-04 湖北京邦科技有限公司 一种新型半导体光电倍增器件
US10624593B2 (en) * 2017-10-04 2020-04-21 General Electric Company Systems for a photomultiplier
JP2018078304A (ja) * 2017-12-07 2018-05-17 株式会社東芝 光検出器
JP2019212684A (ja) 2018-05-31 2019-12-12 株式会社クオンタムドライブ 可視光無線通信用の受光装置
JP7454917B2 (ja) 2018-12-12 2024-03-25 浜松ホトニクス株式会社 光検出装置
US12113088B2 (en) 2018-12-12 2024-10-08 Hamamatsu Photonics K.K. Light detection device
WO2020121852A1 (ja) 2018-12-12 2020-06-18 浜松ホトニクス株式会社 光検出装置
WO2020121858A1 (ja) 2018-12-12 2020-06-18 浜松ホトニクス株式会社 光検出装置及び光検出装置の製造方法
JP7098559B2 (ja) 2019-03-14 2022-07-11 株式会社東芝 光検出器及びライダー装置
JP7153001B2 (ja) 2019-09-18 2022-10-13 株式会社東芝 光検出器、光検出システム、ライダー装置、及び車
CN111129246B (zh) * 2019-12-27 2021-06-15 无锡新仕嘉半导体科技有限公司 一种集成串联电阻倒装led芯片及其制作方法
CN112086524A (zh) * 2020-08-28 2020-12-15 北京智创芯源科技有限公司 一种红外探测装置及制备方法
JP7558821B2 (ja) * 2021-01-22 2024-10-01 キヤノン株式会社 光電変換装置、光電変換システム、および移動体
CN115064602B (zh) * 2022-06-29 2023-11-14 中国电子科技集团公司第四十四研究所 单光子雪崩光电二极管及其制造方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1755171A (en) 1928-06-06 1930-04-22 Bartenbach Herman Instrument case
US6171922B1 (en) * 1993-09-01 2001-01-09 National Semiconductor Corporation SiCr thin film resistors having improved temperature coefficients of resistance and sheet resistance
US20010048140A1 (en) * 1997-04-10 2001-12-06 Inao Toyoda Photo sensing integrated circuit device and related circuit adjustment
JP3987500B2 (ja) 2004-02-17 2007-10-10 浜松ホトニクス株式会社 光配線基板および光配線基板の製造方法
RU2290721C2 (ru) 2004-05-05 2006-12-27 Борис Анатольевич Долгошеин Кремниевый фотоэлектронный умножитель (варианты) и ячейка для кремниевого фотоэлектронного умножителя
JP4841834B2 (ja) * 2004-12-24 2011-12-21 浜松ホトニクス株式会社 ホトダイオードアレイ
RU2416840C2 (ru) * 2006-02-01 2011-04-20 Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. Лавинный фотодиод в режиме счетчика гейгера
DE602007012854D1 (de) * 2006-04-25 2011-04-14 Koninkl Philips Electronics Nv Implementierung von lawinenfotodioden in (bi) cmos-verfahren
EP3002794B1 (en) * 2006-07-03 2020-08-19 Hamamatsu Photonics K.K. Photodiode array
US7719029B2 (en) * 2007-05-17 2010-05-18 Princeton Lightwave, Inc. Negative feedback avalanche diode
US8519379B2 (en) * 2009-12-08 2013-08-27 Zena Technologies, Inc. Nanowire structured photodiode with a surrounding epitaxially grown P or N layer
JP5297907B2 (ja) 2009-06-18 2013-09-25 浜松ホトニクス株式会社 光検出装置
IT1399075B1 (it) * 2010-03-23 2013-04-05 St Microelectronics Srl Metodo di rilevazione di posizioni di fotoni che impingono su un fotodiodo a valanga geiger-mode, relativi fotodiodi a valanga geiger-mode e processo di fabbricazione
JP5562207B2 (ja) 2010-10-29 2014-07-30 浜松ホトニクス株式会社 フォトダイオードアレイ
JP5616822B2 (ja) 2011-03-03 2014-10-29 セイコーインスツル株式会社 半導体装置の製造方法
KR101261743B1 (ko) * 2011-10-14 2013-05-07 주식회사 동부하이텍 반도체 소자 및 그 제조방법

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US10192923B2 (en) 2019-01-29

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