WO2014061610A1 - フォトダイオードアレイ - Google Patents

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contact electrode
light detection
resistance layer
photodiode array
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晃永 山本
輝昌 永野
山村　和久
健一 里
龍太郎 土屋
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浜松ホトニクス株式会社
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    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes

Definitions

  • An aspect of the present invention relates to a photodiode array.
  • a conventional photodiode array is described in Patent Document 1, for example.
  • a photodiode array such as SiPM (Silicon. Photo Multiplier) or PPD (Pixelated Photon Detector)
  • APDs active photodiodes
  • SiPM Silicon. Photo Multiplier
  • PPD Pixelated Photon Detector
  • a first contact electrode is provided in one semiconductor layer constituting a pn junction, and a resistance layer is connected to the wiring in the same plane as the wiring continuous therewith.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a high dynamic range photodiode array having a high count rate.
  • a photodiode array is a photodiode array including a light receiving region, wherein the light receiving region includes a plurality of light detection units, and each of the light detection units includes: A first conductive type first semiconductor region; a second conductive type second semiconductor region forming a pn junction with the first semiconductor region; a first contact electrode in contact with the second semiconductor region; A material different from that of the contact electrode, a second contact electrode that is disposed at a position overlapping the first contact electrode, and that is in contact with the first contact electrode; and a resistance layer that is continuous with the second contact electrode.
  • the space required for connection between the resistance layer and the first contact electrode can be minimized by disposing the second contact electrode at a position overlapping the first contact electrode.
  • the first contact electrode and the second contact electrode are not necessarily on the same plane, but have different height positions, and the resistance layer continuously extends from the second contact electrode.
  • wiring in the light detection unit can be omitted, and the aperture ratio of the light detection unit can be significantly increased.
  • the carriers generated in the pn junction by the incidence of photons flow to the resistance layer through the first contact electrode and the second contact electrode, and are extracted to the outside through the wiring pattern connected to the resistance layer.
  • the second contact electrode and the resistance layer include SiCr. Since SiCr has a high light transmittance, even if a resistance layer is present in the light detection section, incident photons are transmitted through the resistance layer, so that the effective aperture ratio can be increased.
  • the resistance layer extends in a curved line and is connected to a wiring pattern for signal readout. Since the resistance value of the resistance layer is proportional to its length, the resistance value can be increased by extending the resistance layer in a curved line. Further, the presence of the resistance layer makes it possible to stabilize the surface level of the semiconductor layer existing thereunder and to stabilize the output.
  • the thickness of the resistance layer is preferably 3 nm or more and 50 nm or less. When the value is not less than the lower limit value, the uniformity of the resistance layer can be ensured, and when the value is not more than the upper limit value, the photons can be sufficiently transmitted.
  • the wiring pattern includes a shape surrounding each of the light detection portions, and each of the second contact electrodes is located at a center portion of each of the light detection regions surrounded by the wiring pattern, and the resistance layer
  • the two-dimensional pattern includes a shape extending so as to rotate around the second contact electrode.
  • the period from the time when the intensity peak value of the output from the light detection unit is given to the time when the output from the light detection unit reaches 37% of the intensity peak value Can be set to 5 ns or less.
  • the distance between the centers of the adjacent light detection units can be set to 20 ⁇ m or less. In this case, the recovery time is significantly shortened.
  • the distance between the centers of the adjacent photodetecting portions can be 15 ⁇ m or less. In this case, the recovery time is further shortened.
  • the interval between the centers of the adjacent light detection units can be 10 ⁇ m or less. In this case, the recovery time is further shortened.
  • the photodiode according to the aspect of the present invention can increase the count rate by shortening the recovery time.
  • FIG. 1 is a perspective view of a photodiode array.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the photodiode array along arrows II-II.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the wavelength (nm) of incident light to SiCr and the transmittance (%).
  • FIG. 4 is a view showing a photograph of the photodetecting portions (50 ⁇ m spacing arrangement).
  • FIG. 5 is a view showing a photograph of the photodetecting portions (arranged at 25 ⁇ m intervals).
  • FIG. 6 is a diagram showing a photograph of the light detection units (arranged at 20 ⁇ m intervals).
  • FIG. 7 is a view showing a photograph of the photodetection section (15 ⁇ m spacing arrangement: type A).
  • FIG. 8 is a view showing a photograph of the photodetecting section (15 ⁇ m spacing arrangement: type B).
  • FIG. 9 is a diagram showing a photograph of the light detection units (arranged at 10 ⁇ m intervals).
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the wavelength (nm) of incident light and the photon detection efficiency (%).
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the output of the photodiode and time.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a manufacturing method of the photodiode.
  • FIG. 13 is a longitudinal sectional view of a photodiode array in which the structure of the substrate is changed.
  • FIG. 14 is a plan view of the photodiode array.
  • FIG. 1 is a perspective view of a photodiode array
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the photodiode array taken along an arrow II-II.
  • This photodiode array has a light receiving region on the surface side of a semiconductor substrate made of Si.
  • the light receiving area includes a plurality of light detection units (light detection channels) 10, and these light detection units 10 are two-dimensionally arranged in a matrix.
  • the light detectors 10 in 9 rows and 9 columns are arranged to form a light receiving region, but the number of light detectors 10 may be larger or smaller, A one-dimensionally arranged configuration is also possible.
  • a signal reading wiring pattern (upper surface electrode) 3C patterned in a lattice pattern is disposed on the substrate surface.
  • the description of the insulating layer 17 shown in FIG. 2 is omitted so that the internal structure can be understood.
  • a light detection region is defined in the opening of the grid-like wiring pattern 3C.
  • the light detection unit 10 is disposed in the light detection region, and the output of the light detection unit 10 is connected to the wiring pattern 3C.
  • a bottom electrode 20 is provided on the back surface of the substrate. Therefore, if the drive voltage of the photodetection unit 10 is applied between the wiring pattern 3C that is the upper surface electrode and the lower surface electrode 20, the light detection output can be taken out from the wiring pattern 3C.
  • the p-type semiconductor region constituting this constitutes an anode
  • the n-type semiconductor region constitutes a cathode.
  • the drive voltage is a reverse bias voltage applied to a photodiode formed by an internal pn junction in the light detection unit 10.
  • this drive voltage is set to be higher than the breakdown voltage of the photodiode, the avalanche breakdown occurs in the photodiode, and the photodiode operates in the Geiger mode. That is, each photodiode is an avalanche photodiode (APD). Even when a forward bias voltage is applied to the photodiode, the photodiode has a light detection function.
  • a resistor portion (quenching resistor) 4 electrically connected to one end of the photodiode is disposed on the substrate surface.
  • One end of the resistor section 4 constitutes a contact electrode 4A that is electrically connected to one end of the photodiode via a contact electrode made of another material located immediately below this, and the other end is used for signal readout.
  • a contact electrode 4C is formed in contact with and electrically connected to the wiring pattern 3C. That is, the resistance part 4 in each photodetection part 10 is connected to the contact electrode 4A connected to the photodiode, the resistance layer 4B extending in a curve continuously to the contact electrode 4A, and the terminal part of the resistance layer 4B.
  • a contact electrode 4C is provided. Note that the contact electrode 4A, the resistance layer 4B, and the contact electrode 4C are composed of resistance layers of the same resistance material, and these are continuous.
  • the resistance portion 4 extends in a curved manner from an electrical connection point with the photodiode, and is connected to the signal reading wiring pattern 3C. Since the resistance value of the resistance unit 4 is proportional to its length, the resistance value can be increased by extending the resistance unit 4 in a curved line. In addition, the presence of the resistance portion 4 can stabilize the surface level of the semiconductor region existing thereunder and stabilize the output.
  • the wiring pattern 3C includes a shape surrounding each individual light detection unit 10, but the shape of the wiring pattern 3C is not limited to this, and for example, two or more light detection units 10 or a shape surrounding one or more rows of light detection units 10 (see FIG. 14).
  • a plurality of rows of light detection units are grouped into one group, and the wiring of the wiring pattern 3 ⁇ / b> C extends therebetween.
  • the surface level of the semiconductor region 14 can be further stabilized by disposing the resistance layer 4 ⁇ / b> B so as to cover the edge of the semiconductor region 14 in each photodetection unit. More specifically, the resistance layer 4B is disposed on the outline of the semiconductor region 14 as viewed from the thickness direction.
  • one end of the photodiode included in the light detection unit 10 is connected to the wiring pattern 3C having the same potential at all positions, and the other end is connected to the lower surface electrode 20 for applying the substrate potential. That is, the photodiodes in all the light detection units 10 are connected in parallel.
  • the lower surface electrode 20 it is also possible to form a through electrode that contacts the semiconductor region 12 after forming a hole reaching the semiconductor region 12 from the substrate surface side and coating the inner surface of the hole with an insulating film. .
  • the lower surface electrode 20 is preferable to the through electrode.
  • each contact electrode 4A is located at the center of each photodetection region surrounded by the wiring pattern 3C.
  • the two-dimensional pattern of the resistance portion 4 includes a shape extending so as to rotate around the contact electrode 4A.
  • each photodetecting section 10 includes a first conductivity type (n-type) first semiconductor region (layer) 12 and a second conductivity type (pn junction) that forms a pn junction with the first semiconductor region 12.
  • a p-type second semiconductor region semiconductor layer 13 and high impurity concentration region 14 is provided.
  • the first contact electrode 3A is in contact with the high impurity concentration region (semiconductor region) 14 in the second semiconductor region.
  • the high impurity concentration region 14 is a diffusion region (semiconductor region) formed by diffusing impurities into the semiconductor layer 13, and has a higher impurity concentration than the semiconductor layer 13.
  • a p-type semiconductor layer 13 is formed on the n-type first semiconductor region 12, and a p-type high-concentration impurity region 14 is formed on the surface side of the semiconductor layer 13. . Therefore, the pn junction constituting the photodiode is formed between the first semiconductor region 12 and the semiconductor layer 13.
  • the layer structure of the semiconductor substrate As the layer structure of the semiconductor substrate, a structure in which the conductivity type is reversed from the above can be adopted. That is, in the (type 2) structure, the n-type semiconductor layer 13 is formed on the p-type first semiconductor region 12, and the n-type high-concentration impurity region 14 is formed on the surface side of the semiconductor layer 13. Formed.
  • the pn junction interface can be formed on the surface layer side.
  • the n-type semiconductor layer 13 is formed on the n-type first semiconductor region 12, and the p-type high-concentration impurity region 14 is formed on the surface side of the semiconductor layer 13. It becomes a structure to be.
  • the pn junction is formed at the interface between the semiconductor layer 13 and the semiconductor region 14.
  • the conductivity type can be reversed. That is, in the (type 4) structure, the p-type semiconductor layer 13 is formed on the p-type first semiconductor region 12, and the n-type high concentration impurity region 14 is formed on the surface side of the semiconductor layer 13. It becomes a structure.
  • FIG. 13 can also be adopted as the structure of the semiconductor substrate.
  • FIG. 13 is a longitudinal sectional view of a photodiode array in which the structure of the substrate is changed.
  • This structure is different from the structure of type 1 to type 4 described above in that the semiconductor region 15 is disposed immediately below the semiconductor region 14, and the other points are the same.
  • the semiconductor region 15 has the same conductivity type as the semiconductor region 14 or a different conductivity type. Those having the same conductivity type are referred to as (Type 1S) to (Type 4S), and those having different conductivity types are referred to as (Type 1D) to (Type 4D).
  • the impurity concentration in the semiconductor region 15 is smaller than the impurity concentration in the semiconductor region 14. Further, B (boron) can be adopted as the p-type impurity, and P (phosphorus) or As (arsenic) can be adopted as the n-type impurity.
  • the preferred ranges of the conductivity type, impurity concentration, and thickness of each layer in the semiconductor structure described above are as follows.
  • Semiconductor region 14 (conductivity type / impurity concentration / thickness) (P-type / 1 ⁇ 10 18 to 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 / 10 to 1000 nm)
  • Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness) (P-type / 1 ⁇ 10 14 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 / 2 to 50 ⁇ m) (Type 2S)
  • the parameters of the semiconductor regions 12, 13, and 14 are the same as those of the type 2.
  • Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness) (N-type / 1 ⁇ 10 14 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 / 2 to 50 ⁇ m) (Type 3S)
  • the parameters of the semiconductor regions 12, 13, and 14 are the same as those of the type 3.
  • Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness) (P-type / 1 ⁇ 10 14 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 / 2 to 50 ⁇ m) (Type 4S)
  • the parameters of the semiconductor regions 12, 13 and 14 are the same as type 4.
  • Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness) (N-type / 1 ⁇ 10 14 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 / 2 to 50 ⁇ m) (Type 1D)
  • the parameters of the semiconductor regions 12, 13, and 14 are the same as those of the type 1.
  • Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness) (N-type / 1 ⁇ 10 14 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 / 2 to 50 ⁇ m) (Type 2D)
  • the parameters of the semiconductor regions 12, 13, and 14 are the same as those of the type 2.
  • Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness) (P-type / 1 ⁇ 10 14 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 / 2 to 50 ⁇ m) (Type 3D)
  • the parameters of the semiconductor regions 12, 13, and 14 are the same as those of the type 3.
  • Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness) (N-type / 1 ⁇ 10 14 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 / 2 to 50 ⁇ m) (Type 4D)
  • the parameters of the semiconductor regions 12, 13 and 14 are the same as type 4.
  • Semiconductor region 15 (conductivity type / impurity concentration / thickness) (P-type / 1 ⁇ 10 14 to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 / 2 to 50 ⁇ m)
  • the lowermost semiconductor region 12 constitutes a semiconductor substrate having a large thickness.
  • the light detection unit 10 may further include a semiconductor substrate below, in this case.
  • the semiconductor region 12 has a thinner thickness than such an additional semiconductor substrate.
  • the semiconductor region 13 can be formed on the semiconductor region 12 by an epitaxial growth method, but may be formed by impurity diffusion or ion implantation with respect to the substrate.
  • the semiconductor regions 14 and 15 can be formed by impurity diffusion or ion implantation with respect to the semiconductor region 13.
  • Each light detection unit 10 includes an insulating layer 16 formed on the surface of the semiconductor substrate.
  • the surfaces of the semiconductor region 13 and the semiconductor region 14 are covered with an insulating layer 16.
  • the insulating layer 16 has a contact hole, and a contact electrode 3A is formed in the contact hole.
  • the contact electrode 3A in this example is made of the same material as the wiring pattern 3C and is formed on the insulating layer 16 by the same process.
  • the contact electrode 3A and the wiring pattern 3C are made of metal, specifically, aluminum (Al).
  • Other low resistance metal materials Au, Ag, Cu
  • the alloy for example, a compound containing some of metal elements such as Al, Ag, Au, Ge, Ni, Cr and Ti can be used.
  • An upper insulating layer 17 is formed on the lower insulating layer 16 and the first contact electrode 3A.
  • the insulating layers 16 and 17 are made of an inorganic insulator having high heat resistance such as SiO 2 or silicon nitride (SiNx).
  • the insulating layer 17 has a contact hole arranged coaxially with the first contact electrode 3A, and the second contact electrode 4A is formed in the contact hole. Therefore, the first contact electrode 3A and the second contact electrode 4A are arranged coaxially.
  • the second contact electrode 4A contains a material different from that of the first contact electrode 3A.
  • the second contact electrode 4A is a part of the resistance portion 4 and has a higher resistivity than the first contact electrode 3A.
  • the second contact electrode 4A is disposed at a position overlapping the first contact electrode 3A, and is in contact with the first contact electrode 3A. In the second contact electrode 4A, the resistance layer 4B is continuous.
  • the second contact electrode 4A By arranging the second contact electrode 4A coaxially at a position overlapping the first contact electrode 3A, the space required for connection between the resistance layer 4B and the first contact electrode 3A can be minimized.
  • the first contact electrode 3A and the second contact electrode 4A are inevitably not on the same plane but have different height positions, and the resistance layer 4B extends continuously from the second contact electrode 4A. It becomes. Thereby, the wiring in the photodetection unit 10 can be omitted, and the aperture ratio of the photodetection unit can be remarkably increased.
  • the contact electrode 4C is located at the end of the resistance layer 4B.
  • the contact electrode 4 ⁇ / b> C is also a part of the resistance portion 4.
  • a wiring pattern 3C formed on the insulating layer 16 is located immediately below the contact electrode 4C, and the contact electrode 4C is in contact with and connected to the wiring pattern 3C.
  • Carriers generated at the pn junction by the incidence of photons flow to the resistance layer 4B via the first contact electrode 3A and the second contact electrode 4A, and the wiring pattern 3C connected to the resistance layer 4B via the contact electrode 4C. Through the outside.
  • the contact electrodes 4A and 4C and the resistance layer 4B are made of the same resistance material, but they may be made of different materials.
  • a semiconductor alone or an alloy or a compound containing a semiconductor and a metal in an appropriate ratio can be used as the resistance material.
  • the resistor there are NiCr, TaNi, FeCr and the like in addition to SiCr.
  • the contact electrodes 4A and 4C and the resistance layer 4B are preferably made of SiCr. Since SiCr has a high light transmittance, even in the presence of a resistance layer in the light detection unit 10, since the incident photons are transmitted through the resistance layer 4B, the effective aperture ratio can be increased. It should be noted that SiCr has a small resistance variation in the wafer surface and can be easily made thin if it is about 1 mm. Also, the sheet resistance can be increased. The sheet resistance of polysilicon is 1 to 30 (k ⁇ / sq.), While SiCr is 1 to 50 (k ⁇ / sq.). That is, if SiCr is used, a high resistance value can be realized with a small size.
  • the thickness of the resistance layer 4B is preferably 3 nm or more and 50 nm or less. When the value is not less than the lower limit value, the uniformity of the resistance layer can be ensured, and when the value is not more than the upper limit value, the photons can be sufficiently transmitted.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the wavelength (nm) of light incident on SiCr constituting the resistance layer and the transmittance (%).
  • the thickness of this SiCr layer is 20 nm.
  • SiCr has a transmittance of 80% or more with respect to light having a wavelength of 400 nm or more.
  • Light having a wavelength of less than 400 nm tends to be blocked.
  • a small spectral peak is shown for light having a wavelength of 400 nm or more and less than 500 nm. This means that even when light having a wavelength of 500 nm or more is blocked by a filter, light having a wavelength of 400 nm or more and less than 500 nm can be selectively transmitted. If such a filter is not combined, light having a wavelength of 400 nm or more and at least a wavelength of 1200 nm can be transmitted with a transmittance of 80% or more.
  • the above photodiode array was manufactured.
  • -Semiconductor region 12 Conduction type: n-type (impurity: Sb (antimony)) Impurity concentration: 5.0 ⁇ 10 11 cm ⁇ 3 Thickness: 650 ⁇ m
  • Insulating layer 16 SiO 2 (thickness: 1000 nm)
  • Insulating layer 17 SiO 2 (thickness: 2000 nm)
  • Contact electrode 3A (Aluminum (Al)) Contact hole diameter: 2.0 ⁇ m
  • -Wiring pattern 3C (Aluminum (Al)) Thickness: 1.0 ⁇ m Width W0 of wiring pattern 3C: 1.0 to 3.0 ⁇ m Area S (photodetection region) surrounded by the wiring pattern 3C of one photodetection unit 10: 100 to 2500 ⁇ m 2 Spacing X between the centers of adjacent light detection units 10: 50 ⁇ m to 10 ⁇ m
  • Resistor part 4 SiCr (Contact electrode 4A) Contact hole diameter: 1.0 ⁇ m (Resistance layer 4B) Resistance layer 4B thickness: 20 nm Resistance layer 4B width W1: 1.0 to 3.0 ⁇ m Resistance layer 4B length L1: 10-50 ⁇ m Resistance value of resistance unit 4: 200 to 500 k ⁇ (Contact electrode 4C) Contact hole diameter: 1.0 ⁇ m
  • Semiconductor region 13 Si epitaxial growth method (raw materials: gas phase silicon tetrachloride (SiCl 4 ), silane trichloride (trichlorosilane, SiHCl 3 ), growth temperature 1200 ° C.)
  • Semiconductor region 14 impurity thermal diffusion method (impurity raw material: diborane (B 2 H 6 ), diffusion temperature 1200 ° C.)
  • Insulating layer 16 (Si thermal oxidation method: oxidation temperature (1000 ° C.))
  • Insulating layer 17 (plasma CVD method: raw material gas (tetraethoxysilane (TEOS) and oxygen gas): growth temperature (200 ° C.))
  • Resistor 4 Sputtering method (target material: SiCr)
  • the parameters of the structure in this example are as follows.
  • the length of the resistance layer 4B is the length of the center line in the width direction.
  • the shape of the resistance layer 4B is formed in an annular shape along the inner surface of the grid-like wiring pattern 3C as a whole.
  • the resistance layer 4B has two paths from the position of the second contact electrode 4A to the contact electrode 4C for signal output. That is, the resistance layer 4B includes a resistance layer 4B1 having a relatively short length and a resistance layer 4B2 having a relatively long length.
  • the resistance value of the resistance layer 4B is given by the combined resistance of the resistance layers 4B1 and 4B2 having different lengths.
  • Contact electrodes 4C are arranged at intersections of the grid-like wiring pattern 3C. Therefore, the contact electrode 4C is located at four locations on the diagonal line of the light detection region, and the intersection of these diagonal lines becomes the center (center of gravity) G of the light detection region (light detection unit).
  • the distance X between the centers G of the adjacent photodetectors 10 is 50 ⁇ m.
  • the resistance layers 4B1 and 4B2 have a generally rectangular ring shape as a whole, but the shape at the corners is smoothly bent.
  • the curvature centers O of the outer edges of the corners of the resistance layers 4B1 and 4B2 are located on the diagonal line passing through the center G, the curvature radius R is 5.0 ⁇ m, and both ends of the arc of the outer edge are directed toward the curvature center O.
  • the angle ⁇ formed by the two extending strings is 8 °.
  • the curvature radius R is set to 2 to 10 ⁇ m in order to avoid electric field concentration, and the angle ⁇ is set to 3 to 14 °.
  • the carriers taken out from the second contact electrode 4A reach the contact electrode 4C through the resistance layer 4B, and are taken out to the outside through the wiring pattern 3C.
  • the shape of the resistance layer 4B is formed in a shape in which a part of the ring is missing along the inner surface of the grid-like wiring pattern 3C as a whole.
  • the resistance layer 4B has one path from the position of the second contact electrode 4A to the contact electrode 4C for signal output.
  • Contact electrodes 4C are arranged at intersections of the grid-like wiring pattern 3C. Therefore, the contact electrode 4C is located at four locations on the diagonal line of the light detection region, and the intersection of these diagonal lines becomes the center (center of gravity) G of the light detection region (light detection unit).
  • the distance X between the centers G of the light detection units 10 adjacent in the horizontal direction is 25 ⁇ m.
  • the resistance layer 4B has three corners constituting a part of the ring shape, but the shape at each corner is smoothly bent.
  • the center of curvature O of the outer edge of the corner of the resistance layer 4B is located on the diagonal line passing through the center G, the radius of curvature R is 5.0 ⁇ m, and extends from both ends of the arc of the outer edge toward the center of curvature O 2.
  • the angle ⁇ formed by the two strings is 8 °.
  • the radius of curvature R is set to 2 to 10 ⁇ m, and the angle ⁇ is set to 6 to 37 °.
  • the carriers taken out from the second contact electrode 4A reach the contact electrode 4C through the resistance layer 4B, and are taken out to the outside through the wiring pattern 3C.
  • the basic structure of the light detection unit is the same as that shown in FIG.
  • the distance X between the centers G of the adjacent photodetecting portions 10 is 20 ⁇ m.
  • the contact electrode 4A is located inside the photodetection region with respect to the width W1 of the resistance layer 4B.
  • the ratio of projecting toward is larger than that of FIG.
  • the centers of the contact electrodes 4A and 4C are recessed.
  • the distance between the wiring pattern 3C adjacent to the contact electrode 4C and the center position of the contact electrode 4A is larger than the distance from the wiring pattern 3C to the inner edge line of the resistance layer 4B.
  • the resistance layer 4B has three corners constituting a part of the ring shape, but the shape at each corner is smoothly bent.
  • the center of curvature O of the outer edge of the corner of the resistance layer 4B is located on the diagonal line passing through the center G, the radius of curvature R is 3.0 ⁇ m, and extends from both ends of the arc of the outer edge toward the center of curvature O 2.
  • the angle ⁇ formed by the two strings is 13 °.
  • the curvature radius R is set to 2 to 5 ⁇ m in order to avoid electric field concentration, and the angle ⁇ is set to 8 to 23 °.
  • the carriers taken out from the second contact electrode 4A reach the contact electrode 4C through the resistance layer 4B, and are taken out to the outside through the wiring pattern 3C.
  • the contact electrode 4A is arranged at the center of the photodetection region, and the resistance layer 4B is continuous to the positive direction rotation region 4Ba extending rightward from the center and the positive direction rotation region 4Ba.
  • a reverse rotation region 4Bb extending while rotating counterclockwise.
  • the clockwise rotation is defined as the forward rotation.
  • Contact electrodes 4C are arranged at the intersections of the grid-like wiring pattern 3C, and the contact electrodes 4C are located at four positions on the diagonal lines of the light detection region.
  • the intersections of these diagonal lines are the light detection regions (light It becomes the center (center of gravity) G of the detector.
  • the distance X between the centers G of the adjacent photodetectors 10 is 15 ⁇ m.
  • the resistance layer 4B includes the forward direction rotation region 4Ba and the reverse direction rotation region 4Bb.
  • the resistance layer 4B has one path from the position of the second contact electrode 4A to the signal output contact electrode 4C, but is formed by the regions 4Ba and 4Bb having different rotation directions.
  • the direction of the magnetic field at the center G is reversed. That is, the influence of the magnetic field formed by the progress of the detected electrons has a structure that cancels out at the center position, and the influence of the self-formed magnetic field on the detection output is reduced.
  • the forward rotation region 4Ba has three corners that bend gently, but the curvature centers Oa1, Oa2, and Oa3 of the outer edges of the corners are located on the diagonal line passing through the center G.
  • Each curvature radius Ra is 2.0 ⁇ m
  • an angle ⁇ a formed by two strings extending from both ends of each outer edge arc toward each curvature center Oa1, Oa2, Oa3 is 19 °.
  • the curvature radius Ra of the corner is set to 2 to 5 ⁇ m to avoid electric field concentration, and the angle ⁇ a is set to 19 to 58 °.
  • the reverse rotation region 4Bb also has three corners that are gently bent, and each corner has the same shape except for the direction.
  • the curvature center Ob of the outer edge of the corner is located on the diagonal line passing through the center G
  • the curvature radius Rb is 2.0 ⁇ m
  • the respective curvature centers from both ends of the arc of the outer edge is 8 °.
  • the curvature radius Rb of the corner is set to 2 to 5 ⁇ m to avoid electric field concentration, and the angle ⁇ b is set to 8 to 23 °.
  • angle ⁇ a is set to be larger than the angle ⁇ b because the forward direction rotation region 4Ba is located inside the reverse direction rotation region 4Bb.
  • the minimum value D1 of the separation distance is set to 0.6 to 2.0 ⁇ m.
  • the carriers taken out from the second contact electrode 4A reach the contact electrode 4C through the resistance layer 4B, and are taken out to the outside through the wiring pattern 3C.
  • the contact electrode 4A is disposed at the center of the photodetection region, and the resistance layer 4B includes a rotation region extending while rotating in one direction from the center.
  • the resistance layer 4B includes a rotation region extending while rotating in one direction from the center.
  • the contact electrodes 4C are arranged at the intersections of the grid-like wiring pattern 3C, and the contact electrodes 4C are located at four positions on the diagonal lines of the light detection region. It becomes the center (center of gravity) G of the detector.
  • the distance X between the centers G of the adjacent photodetectors 10 is 15 ⁇ m.
  • the resistance layer 4B has three corners that are gently bent, and the center of curvature O of the outer edge of each corner is located on the diagonal line passing through the center G, and each radius of curvature is R is 2.0 ⁇ m, and the angle ⁇ formed by the two chords extending from both ends of the arc of each outer edge toward the center of curvature O is 8 °.
  • the radius of curvature R of the corner is set to 2 to 5 ⁇ m in order to avoid electric field concentration, and the angle ⁇ is set to 8 to 23 °.
  • the carriers taken out from the second contact electrode 4A reach the contact electrode 4C through the resistance layer 4B, and are taken out to the outside through the wiring pattern 3C.
  • the carrier taken out from the second contact electrode 4A reaches the contact electrode 4C through the resistance layer 4B, and is taken out to the outside through the wiring pattern 3C.
  • the width W1 of the resistance layer 4B is smaller than the width W0 of the wiring pattern 3C, and a sufficient resistance value can be obtained although the resistance portion 4 is miniaturized. It has a configuration.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the wavelength (nm) of incident light and the photon detection efficiency (%) in the photodiode described above.
  • data of the structure of FIG. 4 50 ⁇ m interval
  • the structure of FIG. 7 15 ⁇ m interval
  • the structure of FIG. 9 10 ⁇ m interval
  • the number of light detection units included in one photodiode array is 400, 4489, and 1000, respectively.
  • the reverse bias voltage to the photodiode was 74V and operated in Geiger mode.
  • the breakdown voltage is 71V.
  • the photon detection efficiency (PDE) (%) the larger the light detection area, the smaller the shadow area due to the resistance layer, and the higher detection efficiency is obtained.
  • the area of the photodetection region when the adjacent interval of the photodetection region is 50 ⁇ m is about 1/25 of the area of the photodetection region when it is 10 ⁇ m, but the detection efficiency is 30% or more. Is maintained. Similarly, in the case of 15 ⁇ m, relatively high detection efficiency is maintained.
  • spectral peak positions exist in the wavelength range of 400 nm to 500 nm.
  • the detection efficiency is 44% or more in the case of photodiodes at intervals of 50 ⁇ m, and the detection efficiency is 36% or more in the case of photodiodes at intervals of 15 ⁇ m. In the case of a diode, the detection efficiency is 17% or more.
  • a pattern (aluminum) was formed.
  • the annular wiring pattern extended electrode
  • the detection efficiency (%) is in the wavelength range of 400 nm to 500 nm. The minimum was 44% and the maximum was 52%.
  • the position of the first contact electrode and the connection position of the annular wiring pattern of the resistor are shifted.
  • a pattern (aluminum) was formed.
  • the annular wiring pattern (extended electrode) is located on the outline of the semiconductor region 14 and has a function of stabilizing the level in the light detection region.
  • the detection efficiency (%) is within a wavelength range of 400 nm to 500 nm. The minimum was 36% and the maximum was 42%.
  • the position of the first contact electrode is shifted from the connection position of the annular wiring pattern of the resistor.
  • the resistance layer 4B has a high light transmittance while achieving the same surface level stabilization function as that of the annular wiring pattern, and is added like polysilicon. Since a typical resistor is not used, the light detection sensitivity can be remarkably improved.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the output from the photodiode (Geiger mode) and time.
  • the output video of the oscilloscope is shown, the vertical axis shows the output intensity (gain) of the photodiode, one interval on the vertical axis shows 50 mV, and one interval on the horizontal axis shows 5 (ns). Show.
  • a plurality of data having different peak intensity voltages are shown. This is due to the difference in the number of photons incident on the photodiode, and the output intensity increases as the number of photons increases.
  • a bias voltage of 73 (V) is applied.
  • the recovery time ( ⁇ ) of the output signal of the photodiode is detected at 37% of the intensity peak value from the time when the intensity peak value of the output from the light detection unit 10 is given when photons enter the light detection unit 10. It is defined by the period until the time when the output from the unit 10 becomes.
  • the recovery time ( ⁇ ) is 5.0 ns.
  • the recovery time ( ⁇ ) can be 2.3 ns or less.
  • the recovery time ( ⁇ ) was 13 ns, and in the case of Comparative Example 2, the recovery time ( ⁇ ) was 5.0 ns.
  • the aperture ratio is 60%
  • the junction capacitance Cj 80 fF
  • the gain 7.5 ⁇ 10 5
  • the recovery time 13 ns Pixel number density (400 / mm 2 ) and photon detection efficiency is 52% at the maximum.
  • the structure of the embodiment it is possible to reduce the junction capacitance Cj and shorten the recovery time while achieving the same aperture ratio as that of the comparative example 1.
  • the dynamic range can be improved.
  • the recovery time ( ⁇ ) is remarkably shortened.
  • the recovery time ( ⁇ ) can be set to 10 ns or less if the interval X between the light detection parts is 15 ⁇ m or less. If the interval X is 10 ⁇ m or less, the recovery time ( ⁇ ) is further shortened. This is a significant improvement that could not be achieved previously.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a manufacturing method of the photodiode array shown in FIGS.
  • a semiconductor region 13 is formed on a semiconductor region (semiconductor substrate) 12 by an epitaxial growth method, an impurity diffusion method, or an ion implantation method.
  • the semiconductor region 12 is a (100) Si semiconductor substrate formed by the CZ method or the FZ method, but a semiconductor substrate having another plane orientation can also be used.
  • the Si epitaxial growth method for example, gaseous silicon tetrachloride (SiCl 4 ) and trichlorosilane (trichlorosilane, SiHCl 3 ) are used as raw materials, and these are formed on the substrate surface at a growth temperature of 1200 ° C. Flow gas.
  • an impurity corresponding to the conductivity type of the semiconductor region 13 is diffused into the semiconductor region 12 with gas or solid.
  • an impurity corresponding to the conductivity type of the semiconductor region 13 is ion implanted into the semiconductor region 12.
  • the semiconductor region 14 is formed in the region on the surface side of the semiconductor region 13.
  • an impurity diffusion method or an ion implantation method can be used.
  • the diffusion method when diborane (B 2 H 6 ) is used as the impurity raw material, the diffusion temperature can be set to 1200 ° C.
  • a resist pattern having an opening is formed on the semiconductor region 13 by a photolithography technique, and then an impurity is added using the resist pattern as a mask.
  • the impurity may be added by ion implantation after forming the grid-like wiring pattern 3C and using this as a mask through the insulating layer 16.
  • the insulating layer 16 is formed on the semiconductor substrate.
  • the insulating layer 16 can be formed using a Si thermal oxidation method.
  • the oxidation temperature is 1000 ° C., for example.
  • the insulating layer 16 made of SiO 2 is formed.
  • the insulating layer 16 can be formed by a CVD method.
  • a contact hole is formed at a position on the semiconductor region 14 in the insulating layer 16.
  • a resist pattern having an opening is formed on the insulating layer 16 by photolithography, and then the insulating layer 16 is etched using the resist pattern as a mask.
  • the etching method in addition to the dry etching method, wet etching with an etching solution containing an HF aqueous solution can be used.
  • the first contact electrode 3A and the wiring pattern 3C are formed on the insulating layer 16 by vapor deposition.
  • a predetermined resist pattern is formed on the insulating layer 16 by photolithography, and then an electrode material is deposited on the insulating layer 16 using the resist pattern as a mask.
  • a sputtering method can be used instead of the vapor deposition method.
  • an insulating layer 17 is formed over the insulating layer 16.
  • the insulating layer 17 can be formed using a sputtering method or a plasma CVD method.
  • a plasma CVD method tetraethoxysilane (TEOS) and oxygen gas are used as raw material gases, and the growth temperature is set to about 200 ° C. to grow the insulating layer 17.
  • the thickness of the insulating layer 17 is preferably set to such a thickness that the surface is flattened, and is preferably larger than the height from the surface of the insulating layer 16 to the upper surface of the wiring pattern 3C.
  • the resistance portion 4 is formed on the insulating layer 17.
  • a predetermined resist pattern is formed on the insulating layer 17 by a photolithography technique, and then, using this resist pattern as a mask, a resistance material is used on the insulating layer 17 by sputtering or vapor deposition. And accumulate.
  • the resistor is made of SiCr
  • a sputtering method is used.
  • SiCr having a composition ratio of Si and Cr of 70% / 30% can be used, and the thickness is set to 3 to 50 nm. Can do.
  • the semiconductor region 15 may be formed on the surface side of the semiconductor region 13 by impurity diffusion or ion implantation before the semiconductor region 14 is formed. That's fine.
  • impurities corresponding to the conductivity type of the semiconductor region 15 are diffused into the semiconductor region 13 with gas or solid.
  • ion implantation method an impurity corresponding to the conductivity type of the semiconductor region 15 is ion implanted into the semiconductor region 13.
  • the planar shape of the resistance layer 4B is an annular shape, a partial ring shape, or a spiral shape, but this is a meandering shape such as a square wave, a triangular wave, or a sine wave. May be.
  • the recovery time (voltage recovery time) ⁇ when photons (photons) are incident on one photodetection unit 10 is the area of the photodetection region in the photodetection unit 10 and the pn junction.
  • RC constant Cj ⁇ Rq
  • the junction capacitance (pixel capacitance) Cj defined by the width of the depletion layer extending from the above and the resistance value (quenching resistance value Rq) of the resistance portion 4.
  • the quenching resistance value Rq can be determined by adjusting the resistivity, thickness, width and length. Since the resistivity, width, and thickness are limited by process conditions, it is reasonable to adjust the resistance value Rq by changing the length. In order to obtain the same recovery time ⁇ , the resistance layer 4B is set shorter as the pixel size is larger, and the resistance layer 4B is set longer as the pixel size is smaller.
  • the RC constant value is set to an optimum value (2 to 20 ns) according to the device.
  • the noise component of the photodiode array includes an after pulse and a pseudo output signal due to optical crosstalk.
  • An after pulse is a pulse in which a part of electrons and holes generated by avalanche multiplication is trapped in an impurity level, etc., and is emitted later after a certain time interval, resulting in avalanche multiplication again. is there.
  • Optical crosstalk is due to pulses generated by avalanche multiplication caused by a pair of electrons and holes generated when a photon generated at low probability during avalanche multiplication enters and is absorbed by an adjacent pixel. Both are noise components in which the output for one photon becomes a plurality of pulses instead of one pulse.
  • the junction capacitance Cj that is, the gain
  • the total number of electron-hole pairs generated by avalanche multiplication decreases, so the probability of occurrence of pulses due to after pulses and optical crosstalk decreases.
  • the effect of noise reduction can be obtained.
  • the voltage recovery time is longer, and the smaller the gain, the shorter the recovery time.
  • the voltage recovery time is shortened, and the photon count rate can be improved.
  • the light receiving region of the photodiode array includes a plurality of light detection units, and each light detection unit includes a semiconductor region 13 on the substrate surface side (here, a first semiconductor region), A semiconductor region 14 (herein referred to as a second semiconductor region) that is formed inside the semiconductor region 13 and constitutes a light detection channel, a resistance layer 4B that is electrically connected to the second semiconductor region 14, and a resistance layer And a signal reading wiring pattern 3C electrically connected to 4B.
  • the resistance layer 4B is located on the second semiconductor region 14 via the insulating layer 16, and the wiring pattern 3C surrounds the second semiconductor region 14 in plan view.
  • the above-described resistance layer 4B is disposed so as to cover the boundary between the semiconductor region 13 and the semiconductor region 14 in plan view.
  • the above structure can operate stably.

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Abstract

【課題】　高時間分解能のフォトダイオードアレイを提供することを目的とする。 【解決手段】　受光領域は複数の光検出部１０を含み、個々の光検出部１０は、第１導電型の第１半導体領域１２と、第１半導体領域１２とｐｎ接合を構成する第２導電型の第２半導体領域１３，１４と、第２半導体領域に接触する第１コンタクト電極３Ａと、第１コンタクト電極３Ａとは異なる材料を備え、第１コンタクト電極３Ａに重なる位置に配置され、第１コンタクト電極に接触する第２コンタクト電極４Ａと、第２コンタクト電極４Ａに連続する抵抗層４Ｂとを備えている。

Description

フォトダイオードアレイ
　本発明の態様は、フォトダイオードアレイに関するものである。
　従来のフォトダイオードアレイは、例えば、特許文献１に記載されている。ＳｉＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ．　Ｐｈｏｔｏ　Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）又はＰＰＤ（Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ　Ｐｈｏｔｏｎ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）などのフォトダイオードアレイでは、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）をマトリックス状に配置し、複数のＡＰＤを並列に接続し、ＡＰＤ出力の和を読み出す構成を有している。ＡＰＤをガイガーモードで動作させると、微弱な光（フォトン）を検出することができる。すなわち、フォトンがＡＰＤに入射した場合、ＡＰＤ内部で発生したキャリアは、クエンチング抵抗及び信号読出用の配線パターンを介して外部に出力される。ＡＰＤにおける電子雪崩の発生した画素には、電流が流れるが、画素に直列接続された数百ｋΩ程度のクエンチング抵抗において、電圧降下が発生する。この電圧降下により、ＡＰＤの増幅領域への印加電圧が低下して、電子雪崩による増倍作用は終息する。このように、１つのフォトンの入射により、１つのパルス信号がＡＰＤから出力される。従来、ｐｎ接合を構成する一方の半導体層に第１コンタクト電極が設けられ、これに連続する配線と同一平面内において、配線に抵抗層が接続されていた。
欧州特許出願公開１，７５５，１７１号公報
　しかしながら、複数のフォトンが短い時間間隔で、ＡＰＤに入射した場合、出力パルス信号の間隔が短くなり、パルス分離ができなくなり、フォトン・カウンティングができなくなる。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、カウントレートを高くした高ダイナミックレンジのフォトダイオードアレイを提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するため、本発明の態様に係るフォトダイオードアレイは、受光領域を備えたフォトダイオードアレイにおいて、前記受光領域は、複数の光検出部を含み、個々の前記光検出部は、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域とｐｎ接合を構成する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域に接触する第１コンタクト電極と、前記第１コンタクト電極とは異なる材料を備え、前記第１コンタクト電極に重なる位置に配置され、前記第１コンタクト電極に接触する第２コンタクト電極と、前記第２コンタクト電極に連続する抵抗層とを備えることを特徴とする。
　本態様に係るフォトダイオードアレイの場合、第２コンタクト電極を第１コンタクト電極に重なる位置に配置することにより、抵抗層と第１コンタクト電極との接続に要するスペースを最小化することができる。もちろん、必然的に、第１コンタクト電極と第２コンタクト電極とは同一平面上ではなく、高さ方向の位置が異なることとなり、第２コンタクト電極から抵抗層が連続して延びることとなる。これにより、光検出部内における配線を省略することができ、光検出部の開口率を、著しく増加させることが可能となる。
　フォトンの入射によりｐｎ接合において発生したキャリアは、第１コンタクト電極及び第２コンタクト電極を介して、抵抗層に流れ、抵抗層に接続された配線パターンを介して、外部に取り出される。
　また、前記第２コンタクト電極及び前記抵抗層は、ＳｉＣｒを備えることが好ましい。ＳｉＣｒは、光透過率が高いため、光検出部内において、抵抗層が存在していても、入射したフォトンが抵抗層を透過するため、実効的な開口率を増加させることができる。
　また、前記抵抗層は、曲線的に延びて、信号読出用の配線パターンに接続されていることが好ましい。抵抗層の抵抗値は、その長さに比例するため、抵抗層が曲線的に延びることにより、抵抗値を増加させることができる。また、抵抗層が存在することにより、その下に存在する半導体層の表面準位を安定させ、出力を安定させることができる。
　また、前記抵抗層の厚みは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。下限値以上の場合、抵抗層の均一性を確保することができ、上限値以下の場合には、十分にフォトンを透過させることができる。
　前記配線パターンは、個々の前記光検出部を囲む形状を含んでおり、個々の前記第２コンタクト電極は、前記配線パターンによって囲まれた個々の光検出領域の中央部に位置し、前記抵抗層の二次元パターンは、前記第２コンタクト電極の周囲を回転するように延びた形状を含んでいることを特徴とする。第２コンタクト電極を光検出領域の中央部に配置して、この周囲を回転させるように配置することで、抵抗層の長さを長く設定することができる。
　また、フォトンが前記光検出部に入射した場合、前記光検出部からの出力の強度ピーク値を与える時刻から、この強度ピーク値の３７％に前記光検出部からの出力がなる時刻までの期間で規定される回復時間を５ｎｓ以下とすることができる。
　また、隣接する前記光検出部の中心間の間隔は、２０μｍ以下とすることができる。この場合、回復時間が著しく短くなる。
　また、隣接する前記光検出部の中心間の間隔は、１５μｍ以下とすることができる。この場合、前記回復時間は、更に短くなる。
　また、隣接する前記光検出部の中心間の間隔は、１０μｍ以下とすることができる。この場合、前記回復時間は、更に短くなる。
　本発明の態様に係るフォトダイオードによれば、その回復時間を短くすることでカウントレートを高くすることが可能である。
図１は、フォトダイオードアレイの斜視図である。 図２は、フォトダイオードアレイのＩＩ－ＩＩ矢印縦断面図である。 図３は、ＳｉＣｒへの入射光の波長（ｎｍ）と透過率（％）の関係を示すグラフである。 図４は、光検出部（５０μｍ間隔配置）の写真を示す図である。 図５は、光検出部（２５μｍ間隔配置）の写真を示す図である。 図６は、光検出部（２０μｍ間隔配置）の写真を示す図である。 図７は、光検出部（１５μｍ間隔配置：タイプＡ）の写真を示す図である。 図８は、光検出部（１５μｍ間隔配置：タイプＢ）の写真を示す図である。 図９は、光検出部（１０μｍ間隔配置）の写真を示す図である。 図１０は、入射光の波長（ｎｍ）とフォトンの検出効率（％）の関係を示すグラフである。 図１１は、フォトダイオードの出力と時間の関係を示すグラフである。 図１２は、フォトダイオードの製造方法について説明するための図である。 図１３は、基板の構造を変更したフォトダイオードアレイの縦断面図である。 図１４は、フォトダイオードアレイの平面図である。
　以下、実施の形態に係るフォトダイオードアレイについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
　図１は、フォトダイオードアレイの斜視図、図２は、フォトダイオードアレイのＩＩ－ＩＩ矢印縦断面図である。
　このフォトダイオードアレイは、Ｓｉからなる半導体基板の表面側に受光領域を備えている。受光領域は、複数の光検出部（光検出チャンネル）１０を含んでおり、これらの光検出部１０はマトリックス状に二次元配置されている。なお、図１では、９行９列の光検出部１０が配置されており、これらは受光領域を構成しているが、光検出部１０の数は、更に多くても、少なくてもよく、また、一次元配置される構成とすることも可能である。
　基板表面には、格子状にパターニングされた信号読出用の配線パターン（上面電極）３Ｃが配置されている。なお、図１では、内部構造が分かるように、図２に示す絶縁層１７の記載が省略されている。格子状の配線パターン３Ｃの開口内は光検出領域を規定している。光検出領域内には、光検出部１０が配置されており、光検出部１０の出力は配線パターン３Ｃに接続されている。
　基板裏面上には、下面電極２０が設けられている。したがって、上面電極である配線パターン３Ｃと、下面電極２０との間に光検出部１０の駆動電圧を印加すれば、その光検出出力を配線パターン３Ｃから取り出すことができる。
　ｐｎ接合においては、これを構成するｐ型の半導体領域がアノードを構成し、ｎ型の半導体領域がカソードを構成する。ｐ型の半導体領域の電位が、ｎ型の半導体領域の電位よりも高くなるようにフォトダイオードに駆動電圧を印加した場合、これは順方向バイアス電圧であり、これとは逆の駆動電圧をフォトダイオードに印加した場合、これは逆方向バイアス電圧である。
　駆動電圧は、光検出部１０における内部のｐｎ接合によって構成されるフォトダイオードに印加される逆方向バイアス電圧である。この駆動電圧を、フォトダイオードのブレークダウン電圧以上に設定した場合には、フォトダイオードにおいて、アバランシェ降伏が生じ、フォトダイオードがガイガーモードで動作することになる。すなわち、各フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）である。なお、フォトダイオードに順方向バイアス電圧を印加した場合においても、フォトダイオードは、光検出機能を有する。
　基板表面には、フォトダイオードの一端に電気的に接続された抵抗部（クエンチング抵抗）４が、配置されている。抵抗部４の一方端は、この直下に位置する別材料のコンタクト電極を介して、フォトダイオードの一端に電気的に接続されるコンタクト電極４Ａを構成しており、他方端は、信号読出用の配線パターン３Ｃに接触し、これに電気的に接続されるコンタクト電極４Ｃを構成している。すなわち、各光検出部１０における抵抗部４は、フォトダイオードに接続されるコンタクト電極４Ａ、コンタクト電極４Ａに連続して曲線的に延びた抵抗層４Ｂ、及び、抵抗層４Ｂの終端部に連続するコンタクト電極４Ｃを備えている。なお、コンタクト電極４Ａ、抵抗層４Ｂ、及び、コンタクト電極４Ｃは、同一の抵抗材料の抵抗層からなり、これらは連続している。
　このように、抵抗部４は、フォトダイオードとの電気的な接続点から、曲線的に延びて、信号読出用の配線パターン３Ｃに接続されている。抵抗部４の抵抗値は、その長さに比例するため、抵抗部４が曲線的に延びることにより、その抵抗値を増加させることができる。また、抵抗部４が存在することにより、その下に存在する半導体領域の表面準位を安定させ、出力を安定させることができる。
　図１に示す例では、配線パターン３Ｃは、個々の光検出部１０を囲む形状を含んでいるが、配線パターン３Ｃの形状はこれに限られるものではなく、例えば、２個以上の光検出部１０を囲む形状としたり、一列以上の光検出部１０を囲む形状とするとすることができる（図１４参照）。なお、図１４においては、複数列の光検出部を１つのグループとして、これらの間に配線パターン３Ｃの配線が延びている。
　また、図１４に示すように、個々の光検出部において、半導体領域１４のエッジを覆うように抵抗層４Ｂを配置することで、半導体領域１４の表面準位をより安定させることができる。詳説すれば、半導体領域１４を厚み方向からみた輪郭上に、抵抗層４Ｂが配置されている。
　光検出部１０に含まれるフォトダイオードの一端は、原則的には全ての位置において同電位の配線パターン３Ｃに接続され、他方端は、基板電位を与える下面電極２０に接続されている。すなわち、全ての光検出部１０におけるフォトダイオードは並列接続されている。
　なお、下面電極２０に代えて、基板表面側から半導体領域１２に到達する孔を空け、孔の内面を絶縁膜で被覆した後に、半導体領域１２に接触する貫通電極を形成することも可能である。しかしながら、光検出部１０の開口率を向上させるためには、貫通電極よりも下面電極２０の方が好ましい。
　図１に示す例では、個々のコンタクト電極４Ａは、配線パターン３Ｃによって囲まれた個々の光検出領域の中央部に位置している。そして、抵抗部４の二次元パターンはコンタクト電極４Ａの周囲を回転するように延びた形状を含んでいる。コンタクト電極４Ａを各光検出領域の中央部に配置し、コンタクト電極４Ａの周囲を回転させるように、抵抗層４Ｂを配置することで、抵抗層４Ｂの長さを長く設定することができる。
　図２に示すように、個々の光検出部１０は、第１導電型（ｎ型）の第１半導体領域（層）１２と、第１半導体領域１２とｐｎ接合を構成する第２導電型（ｐ型）の第２半導体領域（半導体層１３及び高不純物濃度領域１４）を備えている。
　この第２半導体領域における高不純物濃度領域（半導体領域）１４には、第１コンタクト電極３Ａが接触している。高不純物濃度領域１４は、不純物を半導体層１３内に拡散することによって形成される拡散領域（半導体領域）であり、半導体層１３よりも高い不純物濃度を有している。本例（タイプ１）では、ｎ型の第１半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の高濃度不純物領域１４が形成されている。したがって、フォトダイオードを構成するｐｎ接合は、第１半導体領域１２と半導体層１３との間に形成されている。
　なお、半導体基板の層構造としては、上記とは導電型を反転させた構造を採用することもできる。すなわち、（タイプ２）の構造は、ｐ型の第１半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３を形成し、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成して形成される。
　また、ｐｎ接合界面を、表面層側において形成することもできる。この場合、（タイプ３）の構造は、ｎ型の第１半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。なお、この構造の場合には、ｐｎ接合は、半導体層１３と半導体領域１４との界面において形成される。
　もちろん、かかる構造においても、導電型を反転させることができる。すなわち、（タイプ４）の構造は、ｐ型の第１半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。
　なお、半導体基板の構造として、図１３に示す構造も採用することができる。
　図１３は、基板の構造を変更したフォトダイオードアレイの縦断面図である。
　この構造は、上述のタイプ１～タイプ４の構造において、半導体領域１４の直下に半導体領域１５を配置した点が異なり、その他の点は、同一である。半導体領域１５は、半導体領域１４と同一の導電型、又は、異なる導電型を有している。同一の導電型を有するものを（タイプ１Ｓ）～（タイプ４Ｓ）とし、異なる導電型を有するものを（タイプ１Ｄ）～（タイプ４Ｄ）とする。なお、半導体領域１５における不純物濃度は、半導体領域１４の不純物濃度よりも小さい。また、ｐ型の不純物としては、Ｂ（ボロン）を採用することができ、ｎ型の不純物としてはＰ（リン）又はＡｓ（ヒ素）を採用することができる。
　なお、上述の半導体構造における各層の導電型、不純物濃度及び厚みの好適な範囲は以下の通りである。
（タイプ１）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／５×１０１１～１×１０２０ｃｍ－３／３０～７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３／２～５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０１８～１×１０２０ｃｍ－３／１０～１０００ｎｍ）
（タイプ２）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／５×１０１１～１×１０２０ｃｍ－３／３０～７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３／２～５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０１８～１×１０２０ｃｍ－３／１０～１０００ｎｍ）
（タイプ３）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／５×１０１１～１×１０２０ｃｍ－３／３０～７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３／２～５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０１８～１×１０２０ｃｍ－３／１０～１０００ｎｍ）
（タイプ４）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／５×１０１１～１×１０２０ｃｍ－３／３０～７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３／２～５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０１８～１×１０２０ｃｍ－３／１０～１０００ｎｍ）
（タイプ１Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ１と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３／２～５０μｍ）
（タイプ２Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ２と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３／２～５０μｍ）
（タイプ３Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ３と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３／２～５０μｍ）
（タイプ４Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ４と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３／２～５０μｍ）
（タイプ１Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ１と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３／２～５０μｍ）
（タイプ２Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ２と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３／２～５０μｍ）
（タイプ３Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ３と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３／２～５０μｍ）
（タイプ４Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ４と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０１４～１×１０１７ｃｍ－３／２～５０μｍ）
　なお、上述の例では、最下部の半導体領域１２は、厚みの大きな半導体基板を構成するものであるが、光検出部１０は、この下に更に半導体基板を備えていてもよく、この場合は、半導体領域１２は、かかる付加的な半導体基板よりも薄い厚みを有することとなる。
　また、半導体領域１３は、半導体領域１２上にエピタキシャル成長法において形成することができるが、基板に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することとしてもよい。半導体領域１４，１５は、半導体領域１３に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することができる。
　次に、図１、図２、図１３に示したコンタクト電極３Ａ及び抵抗部４について、説明する。
　各光検出部１０は、半導体基板の表面に形成された絶縁層１６を備えている。半導体領域１３及び半導体領域１４の表面は、絶縁層１６によって被覆されている。絶縁層１６はコンタクトホールを有しており、コンタクトホール内にはコンタクト電極３Ａが形成されている。本例におけるコンタクト電極３Ａは、配線パターン３Ｃと同一材料からなり、同一工程によって、絶縁層１６上に形成されるものである。コンタクト電極３Ａ及び配線パターン３Ｃは、金属からなり、具体的には、アルミニウム（Ａｌ）である。コンタクト電極３Ａ及び配線パターン３Ｃの材料として、他の低抵抗金属材料（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ）を用いることができ、２層以上の構造や合金を採用することもできる。合金としては、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＴｉなどの金属元素のうちの幾つかを含む化合物を用いることができる。
　下部の絶縁層１６及び第１コンタクト電極３Ａ上には、上部の絶縁層１７が形成されている。絶縁層１６，１７は、ＳｉＯ２やシリコン窒化物（ＳｉＮｘ）などの耐熱性の高い無機絶縁体からなる。絶縁層１７は、第１コンタクト電極３Ａと同軸配置されるコンタクトホールを有しており、このコンタクトホール内に、第２コンタクト電極４Ａが形成されている。したがって、第１コンタクト電極３Ａと第２コンタクト電極４Ａとは、同軸配置されている。
　第２コンタクト電極４Ａは、第１コンタクト電極３Ａとは異なる材料を含んでいる。また、第２コンタクト電極４Ａは、抵抗部４の一部であり、第１コンタクト電極３Ａよりも高い抵抗率を有する。第２コンタクト電極４Ａは、第１コンタクト電極３Ａに重なる位置に配置されており、第１コンタクト電極３Ａに接触している。第２コンタクト電極４Ａは、抵抗層４Ｂが連続している。
　第２コンタクト電極４Ａを第１コンタクト電極３Ａに重なる位置に同軸配置することにより、抵抗層４Ｂと第１コンタクト電極３Ａとの接続に要するスペースを最小化することができる。もちろん、必然的に、第１コンタクト電極３Ａと第２コンタクト電極４Ａとは同一平面上ではなく、高さ方向の位置が異なることとなり、第２コンタクト電極４Ａから抵抗層４Ｂが連続して延びることとなる。これにより、光検出部１０内における配線を省略することができ、光検出部の開口率を、著しく増加させることが可能となる。
　なお、抵抗層４Ｂの終端にはコンタクト電極４Ｃが位置している。コンタクト電極４Ｃも抵抗部４の一部である。コンタクト電極４Ｃの直下には、絶縁層１６上に形成された配線パターン３Ｃが位置しており、コンタクト電極４Ｃは配線パターン３Ｃに接触し、接続されている。
　フォトンの入射によりｐｎ接合において発生したキャリアは、第１コンタクト電極３Ａ及び第２コンタクト電極４Ａを介して、抵抗層４Ｂに流れ、抵抗層４Ｂにコンタクト電極４Ｃを介して接続された配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
　コンタクト電極４Ａ、４Ｃ及び抵抗層４Ｂは、同一の抵抗材料からなるが、これらは異なる材料からなることとしてもよい。半導体単独、又は、半導体及び金属を適当な比率で含有する合金又は化合物を抵抗材料として用いることができる。例えば、抵抗体としては、ＳｉＣｒの他、ＮｉＣｒ、ＴａＮｉ、ＦｅＣｒなどが挙げられる。
　もちろん、コンタクト電極４Ａ、４Ｃ及び抵抗層４Ｂは、ＳｉＣｒからなることが好ましい。ＳｉＣｒは、光透過率が高いため、光検出部１０内において、抵抗層が存在していても、入射したフォトンが抵抗層４Ｂを透過するため、実効的な開口率を増加させることができる。なお、ＳｉＣｒは、抵抗値のウエハ面内ばらつきが小さく、１ｍｍ程度であれば、容易に細くすることが可能である。また、シート抵を高くすることができる。ポリシリコンのシート抵抗は１～３０（ｋΩ／ｓｑ．）であるが、ＳｉＣｒは１～５０（ｋΩ／ｓｑ．）である。すなわち、ＳｉＣｒを用いれば、小さいサイズで高抵抗値を実現することができる。
　抵抗層４Ｂの厚みは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。下限値以上の場合、抵抗層の均一性を確保することができ、上限値以下の場合には、十分にフォトンを透過させることができる。
　図３は、抵抗層を構成するＳｉＣｒへの入射光の波長（ｎｍ）と透過率（％）の関係を示すグラフである。このＳｉＣｒ層の厚みは、２０ｎｍである。
　ＳｉＣｒは、波長４００ｎｍ以上の光に対して、８０％以上の透過率を有する。波長４００ｎｍ未満の光は遮断する傾向がある。同グラフによれば、波長４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の光に対して、小さなスペクトルピークが示されている。これは５００ｎｍ以上の光をフィルターにより遮断した場合においても、波長４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の光は、選択的に透過させることができることを意味している。このようなフィルターを組み合わせなければ、波長４００ｎｍ以上、少なくとも波長１２００ｎｍまでの光を、８０％以上の透過率で透過させることができる。
　上述のフォトダイオードアレイを製造した。
　製造条件は、以下の通りである。
（１）構造（図１、２の構造における数値例）
・半導体領域１２：
　導電型：ｎ型（不純物：Ｓｂ（アンチモン））
　不純物濃度：５.０×１０１１ｃｍ－３
　厚み：６５０μｍ
・半導体領域１３
　導電型：ｐ型（不純物：Ｂ（ボロン））
　不純物濃度：１．０×１０１４ｃｍ－３
　厚み：３０μｍ
・半導体領域１４
　導電型：ｐ型（不純物：Ｂ（ボロン））
　不純物濃度：１．０×１０１８ｃｍ－３
　厚み：１０００ｎｍ
・絶縁層１６：ＳｉＯ２（厚み：１０００ｎｍ）
・絶縁層１７：ＳｉＯ２（厚み：２０００ｎｍ）
・コンタクト電極３Ａ：（アルミニウム（Ａｌ））
　コンタクトホール径：２．０μｍ
・配線パターン３Ｃ：（アルミニウム（Ａｌ））
　厚み：１．０μｍ
　配線パターン３Ｃの幅Ｗ０：１．０～３．０μｍ
　１つの光検出部１０の配線パターン３Ｃで囲まれた領域（光検出領域）の面積Ｓ：１００～２５００μｍ２
　隣接する光検出部１０の中心間の間隔Ｘ：５０μｍ～１０μｍ
・抵抗部４：ＳｉＣｒ
（コンタクト電極４Ａ）
　コンタクトホール径：１．０μｍ
（抵抗層４Ｂ）
　抵抗層４Ｂの厚み：２０ｎｍ
　抵抗層４Ｂの幅Ｗ１：１．０～３．０μｍ
　抵抗層４Ｂの長さＬ１：１０～５０μｍ
　抵抗部４の抵抗値：２００～５００ｋΩ
（コンタクト電極４Ｃ）
　コンタクトホール径：１．０μｍ
（２）製法条件
・半導体領域１２：ＣＺ法（（００１）Ｓｉ半導体基板）
・半導体領域１３：Ｓｉエピタキシャル成長法（原材料：気相の四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、三塩化シラン（トリクロルシラン、ＳｉＨＣｌ３）、成長温度１２００℃）
・半導体領域１４：不純物の熱拡散法（不純物原材料：ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、拡散温度１２００℃）
・絶縁層１６：（Ｓｉ熱酸化法：酸化温度（１０００℃））
・絶縁層１７：（プラズマＣＶＤ法：原材料ガス（テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガス）：成長温度（２００℃））
・コンタクト電極３Ａ及び配線パターン３Ｃ：蒸着法（原料：アルミニウム）
・抵抗部４：スパッタ法（ターゲット材料：ＳｉＣｒ）
　図４は、製造した光検出部１０（隣接中心間の間隔Ｘ＝５０μｍ）の写真を示す図である。
　本例における構造のパラメータは、以下の通りである。なお、抵抗層４Ｂの長さは、その幅方向の中心線の長さである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝２．０μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝２０２５μｍ２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝３．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さ（合計の長さ）Ｌ１＝２００μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝１６０ｋΩ
　抵抗層４Ｂの形状は、全体としては、格子状の配線パターン３Ｃの内側面に沿って、環状に形成されている。この構造では、抵抗層４Ｂは、第２コンタクト電極４Ａの位置から、信号出力用のコンタクト電極４Ｃに至るまでの経路を２つ有している。すなわち、抵抗層４Ｂは、相対的な長さの短い抵抗層４Ｂ１と、相対的な長さの長い抵抗層４Ｂ２を有している。抵抗層４Ｂの抵抗値は、これらの長さの異なる抵抗層４Ｂ１と抵抗層４Ｂ２の合成抵抗で与えられる。
　格子状の配線パターン３Ｃの交点において、コンタクト電極４Ｃが配置されている。したがって、光検出領域の対角線上の４か所において、コンタクト電極４Ｃが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域（光検出部）の中心（重心）Ｇとなる。隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは５０μｍである。
　抵抗層４Ｂ１，４Ｂ２は、全体としては概ね矩形の環状を呈しているが、その角部における形状は、滑らかに屈曲している。抵抗層４Ｂ１，４Ｂ２の角部の外縁の曲率中心Ｏは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、曲率半径Ｒは５．０μｍ、外縁の円弧の両端から曲率中心Ｏに向けて延びる２つの弦の成す角度θは、８°である。なお、曲率半径Ｒは、電界集中を避けるために、２～１０μｍに設定され、角度θは、３～１４°に設定される。
　第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
　図５は、製造した光検出部１０（隣接中心間の間隔Ｘ＝２５μｍ）の写真を示す図である。
　本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．５μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝４２０μｍ２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝３．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝７０μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝２５０ｋΩ
　抵抗層４Ｂの形状は、全体としては、格子状の配線パターン３Ｃの内側面に沿って、リングの一部が欠けた形状に形成されている。この構造では、抵抗層４Ｂは、第２コンタクト電極４Ａの位置から、信号出力用のコンタクト電極４Ｃに至るまでの経路を１つ有している。
　格子状の配線パターン３Ｃの交点において、コンタクト電極４Ｃが配置されている。したがって、光検出領域の対角線上の４か所において、コンタクト電極４Ｃが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域（光検出部）の中心（重心）Ｇとなる。横方向に隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは２５μｍである。
　抵抗層４Ｂは、リング形状の一部を構成する３つの角部を有しているが、それぞれの角部における形状は、滑らかに屈曲している。抵抗層４Ｂの角部の外縁の曲率中心Ｏは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、曲率半径Ｒは５．０μｍ、外縁の円弧の両端から曲率中心Ｏに向けて延びる２つの弦の成す角度θは、８°である。なお、曲率半径Ｒは、電界集中を避けるためには、２～１０μｍに設定され、角度θは、６～３７°に設定される。
　第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
　図６は、製造した光検出部１０（隣接中心間の間隔Ｘ＝２０μｍ）の写真を示す図である。
　本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．５μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝２４０μｍ２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝２．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝５５μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝３００ｋΩ
　光検出部の基本的な構造は、図５に示したものと同一であるので、重複する説明は省略する。隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは２０μｍであり、相違点としては、図６に示すものの場合、抵抗層４Ｂの幅Ｗ１に対して、コンタクト電極４Ａが、光検出領域の内側へ向けて突出する割合が、図５のものよりも大きくなっている。なお、いずれの形態の光検出部においても、コンタクト電極４Ａ、４Ｃの中心は凹んでいる。コンタクト電極４Ｃに隣接する配線パターン３Ｃと、コンタクト電極４Ａの中心位置との間の距離は、この配線パターン３Ｃから抵抗層４Ｂの内側のエッジラインまでの距離よりも大きい。
　抵抗層４Ｂは、リング形状の一部を構成する３つの角部を有しているが、それぞれの角部における形状は、滑らかに屈曲している。抵抗層４Ｂの角部の外縁の曲率中心Ｏは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、曲率半径Ｒは３．０μｍ、外縁の円弧の両端から曲率中心Ｏに向けて延びる２つの弦の成す角度θは、１３°である。なお、曲率半径Ｒは、電界集中を避けるためには、２～５μｍに設定され、角度θは、８～２３°に設定される。
　第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
　図７は、製造した光検出部（隣接中心間の間隔Ｘ＝１５μｍ：タイプＡ）の写真を示す図である。タイプＡの光検出部では、コンタクト電極４Ａは、光検出領域の中心に配置され、抵抗層４Ｂは、中心から右回転しながら延びる正方向回転領域４Ｂａと、正方向回転領域４Ｂａに連続して左回転しながら延びる逆方向回転領域４Ｂｂとを備えている。なお、ここでは、右回転を正方向回転とする。もちろん、左方向回転を正方向回転とする構造のものを製造することも可能である。
　本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．２μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝１３２μｍ２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝１．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝７８μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝６００ｋΩ
　格子状の配線パターン３Ｃの交点において、コンタクト電極４Ｃが配置され、光検出領域の対角線上の４か所において、コンタクト電極４Ｃが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域（光検出部）の中心（重心）Ｇとなる。隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは１５μｍである。
　上述のように、抵抗層４Ｂは、正方向回転領域４Ｂａと逆方向回転領域４Ｂｂとを備えている。この構造では、抵抗層４Ｂは、第２コンタクト電極４Ａの位置から、信号出力用のコンタクト電極４Ｃに至るまでの経路を１つ有しているが、回転方向の異なる各領域４Ｂａ，４Ｂｂによって形成される中心Ｇにおける磁場の方向は逆となる。すなわち、検出された電子が進行することで形成される磁場の影響は、中心位置において相殺される構造を有しており、自己形成磁場による検出出力への影響が低減されている。
　正方向回転領域４Ｂａは、緩やかに屈曲する３つの角部を有しているが、それぞれの角部の外縁の曲率中心Ｏａ１，Ｏａ２，Ｏａ３は、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、それぞれの曲率半径Ｒａは２．０μｍ、それぞれの外縁の円弧の両端からそれぞれの曲率中心Ｏａ１，Ｏａ２，Ｏａ３に向けて延びる２つの弦の成す角度θａは、１９°である。なお、正方向回転領域４Ｂａに関して、角部の曲率半径Ｒａは、電界集中を避けるためには、２～５μｍに設定され、角度θａは、１９～５８°に設定される。
　逆方向回転領域４Ｂｂも、緩やかに屈曲する３つの角部を有しており、それぞれの角部は向きを除いて同一の形状を有している。１つの角度について説明すると、角部の外縁の曲率中心Ｏｂは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、その曲率半径Ｒｂは２．０μｍ、外縁の円弧の両端からそれぞれの曲率中心Ｏｂに向けて延びる２つの弦の成す角度θｂは、８°である。なお、逆方向回転領域４Ｂｂに関して、角部の曲率半径Ｒｂは、電界集中を避けるためには、２～５μｍに設定され、角度θｂは、８～２３°に設定される。
　なお、正方向回転領域４Ｂａは逆方向回転領域４Ｂｂよりも内側に位置するという理由により、角度θａは、角度θｂよりも大きく設定されている。
　内側に位置する正方向回転領域４Ｂａの外縁と、外側に位置する逆方向回転領域４Ｂｂの内縁は、対向しているが、これらの離隔距離の最小値Ｄ１は、０．６μｍである。離隔距離の最小値Ｄ１は、０．６～２．０μｍに設定される。
　第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
　図８は、製造した光検出部（隣接中心間の間隔Ｘ＝１５μｍ：タイプＢ）の写真を示す図である。
　タイプＢの光検出部では、コンタクト電極４Ａは、光検出領域の中心に配置され、抵抗層４Ｂは、中心から一方向に回転しながら延びる回転領域を備えている。もちろん、いずれの実施形態においても、回転方向が逆方向の構造のものを製造することも可能である。
　本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．２μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝１３２μｍ２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝１．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝５５μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝４２０ｋΩ
　格子状の配線パターン３Ｃの交点において、コンタクト電極４Ｃが配置され、光検出領域の対角線上の４か所において、コンタクト電極４Ｃが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域（光検出部）の中心（重心）Ｇとなる。隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは１５μｍである。
　抵抗層４Ｂは、緩やかに屈曲する３つの角部を有しているが、それぞれの角部の外縁の曲率中心Ｏは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、それぞれの曲率半径Ｒは２．０μｍ、それぞれの外縁の円弧の両端からそれぞれの曲率中心Ｏに向けて延びる２つの弦の成す角度θは、８°である。なお、角部の曲率半径Ｒは、電界集中を避けるためには、２～５μｍに設定され、角度θは、８～２３°に設定される。
　第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
　図９は、製造した光検出部（隣接中心間の間隔Ｘ＝１０μｍ）の写真を示す図である。
この光検出部１０の基本的な構造は、図８に示したものと同一であるので、同一の構造については、記載を省略する。
　本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．２μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝４２μｍ２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝１．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝２９μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝７００ｋΩ
　この構造においても、第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
　なお、本例では、抵抗層４Ｂの幅Ｗ１が、配線パターン３Ｃの幅Ｗ０よりも小さくなっており、抵抗部４は微細化されているにも拘らず、十分な抵抗値を得ることができる構成となっている。
　次に、フォトダイオードの特性について説明する。
　図１０は、上述のフォトダイオードにおける入射光の波長（ｎｍ）とフォトンの検出効率（％）の関係を示すグラフである。同グラフでは、図４の構造（５０μｍ間隔）、図７の構造（１５μｍ間隔）、図９の構造（１０μｍ間隔）のデータが示されている。なお、１つのフォトダイオードアレイに含まれる光検出部の数は、それぞれ、４００個、４４８９個、１０００個である。フォトダイオードへの逆方向バイアス電圧は、７４Ｖであり、ガイガーモードで動作をさせた。なお、ブレークダウン電圧は７１Ｖである。
　フォトン検出効率（ＰＤＥ）（％）は、光検出領域が大きいほど、抵抗層による影の領域が少なくなり、高い検出効率が得られている。しかしながら、光検出領域の隣接間隔が、５０μｍの場合の光検出領域の面積に対して、１０μｍの場合の光検出領域の面積は約２５分の１であるが、検出効率は、その３０％以上を維持している。１５μｍの場合も同様に、比較的高い検出効率を維持している。
　これらのスペクトルピークの位置は、波長４００ｎｍから５００ｎｍの範囲に存在している。この波長範囲（４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下）内において、５０μｍ間隔のフォトダイオードの場合、検出効率が４４％以上であり、１５μｍ間隔のフォトダイオードの場合、検出効率が３６％以上であり、１０μｍ間隔のフォトダイオードの場合、検出効率が１７％以上である。
　なお、比較例１として、隣接中心間の間隔Ｘ＝５０μｍとして、図４における抵抗層の内側位置に第１コンタクト電極を設け、第１コンタクト電極から抵抗層４Ｂとほぼ同一形状で若干小さな環状配線パターン（アルミニウム）を形成した。なお、この環状配線パターン（張り出し電極）は、半導体領域１４の輪郭上に位置し、光検出領域内の準位を安定させる機能を有する。そして、この環状配線パターンに連続するこれと同一幅の抵抗体（ポリシリコン：１６０ｋΩ）を図４に示すものと同様に形成した場合、検出効率（％）は、波長４００ｎｍから５００ｎｍの範囲において、最小で４４％、最大で５２％であった。なお、比較例１の構造において、第１コンタクト電極の位置と、抵抗体の環状配線パターンとの接続位置とはずれている。
　また、比較例２として、比較例１における間隔Ｘ＝１５μｍとして、図８における抵抗層の内側位置に第１コンタクト電極を設け、第１コンタクト電極から抵抗層４Ｂとほぼ同一形状で若干小さな環状配線パターン（アルミニウム）を形成した。なお、この環状配線パターン（張り出し電極）は、半導体領域１４の輪郭上に位置し、光検出領域内の準位を安定させる機能を有する。そして、この環状配線パターンに連続するこれと同一幅の抵抗体（ポリシリコン：５００ｋΩ）を図８に示すものと同様に形成した場合、検出効率（％）は、波長４００ｎｍから５００ｎｍの範囲において、最小で３６％、最大で４２％であった。なお、比較例２の構造において、第１コンタクト電極の位置と、抵抗体の環状配線パターンとの接続位置とはずれている。
　なお、第１コンタクト電極の位置と、抵抗体の環状配線パターンとの接続位置とはずれているため、間隔Ｘ＝１０μｍ以下とすることは、製造プロセス上困難である。
　比較例１，２の構造においては、環状配線パターン及び光透過率の低い抵抗部の全てが、実効的な開口率を低下させる遮光要素として機能し、光検出感度が低下している。一方、実施形態に係るフォトダイオードアレイは、抵抗層４Ｂが、環状配線パターンと同一の表面準位安定化機能を達成しつつも、高い光透過率を有し、また、ポリシリコンのような付加的な抵抗体を用いていないので、著しく光検出感度を向上させることができる。
　次に、回復時間（電圧回復時間）の影響について、検査を行った。
　図１１は、上述のフォトダイオードからの出力（ガイガーモード）と時間の関係を示すグラフである。オシロスコープの出力映像を示しており、縦軸は、フォトダイオードの出力強度（ゲイン）を示しており、縦軸の１つの間隔は５０ｍＶを示し、横軸の１つの間隔は、５（ｎｓ）を示している。同グラフでは、ピーク強度電圧の異なる複数のデータが示されているが、これはフォトダイオードに入射するフォトン数の違いによるものであり、フォトン数が多いほど、出力強度も大きくなる。同グラフでは、７３（Ｖ）のバイアス電圧が印加されている。なお、ΔＶ＝フォトダイオードへのバイアス電圧－フォトダイオードのブレークダウン電圧は、ΔＶ＝１（Ｖ）以上４（Ｖ）以下の範囲内である。
　フォトダイオードの出力信号の回復時間（τ）は、フォトンが光検出部１０に入射した場合、光検出部１０からの出力の強度ピーク値を与える時刻から、この強度ピーク値の３７％に光検出部１０からの出力がなる時刻までの期間で規定される。
　光検出部の間隔Ｘ＝５０μｍ（図４）の場合（図１１（Ａ））、フォトダイオードへのバイアス電圧が７３Ｖの場合、回復時間（τ）は、１３ｎｓである。
　光検出部の間隔Ｘ＝２０μｍ（図６）の場合（図１１（Ｂ））、フォトダイオードへのバイアス電圧が７３Ｖの場合、回復時間（τ）は、５．０ｎｓである。
　光検出部の間隔Ｘ＝１５μｍ（タイプＡ：図７）の場合（図１１（Ｃ））、フォトダイオードへのバイアス電圧が７３Ｖの場合、回復時間（τ）は、４．３ｎｓである。
　光検出部の間隔Ｘ＝１０μｍの場合（図１１（Ｄ））、フォトダイオードへのバイアス電圧が７３Ｖの場合、回復時間（τ）は、２．３ｎｓ以下とすることができる。
　なお、上述の比較例１の場合、回復時間（τ）は、１３ｎｓであり、比較例２の場合の回復時間（τ）は、５．０ｎｓであった。
　詳説すれば、比較例１の構造の場合（光検出部１０の離間間隔Ｘ＝５０μｍ）、開口率は６０％であり、接合容量Ｃｊ＝８０ｆＦ、ゲイン＝７．５×１０５、回復時間１３ｎｓ、画素数密度（４００個／ｍｍ２）、フォトンの検出効率は最大で５２％である。
　また、比較例２の構造の場合（光検出部１０の離間間隔Ｘ＝１５μｍ）、開口率は５５％であり、接合容量Ｃｊ＝１１ｆＦ、ゲイン＝２．０×１０５、回復時間４．３ｎｓ、画素数密度（４４８９個／ｍｍ２）、フォトンの検出効率は最大で４２％である。
　なお、Ｘ＝１５μｍの場合、図７及び図８の実施形態の構造においては、開口率は６０％とすることができ、接合容量Ｃｊ＝１１ｆＦ、ゲイン＝２．０×１０５、回復時間４．３ｎｓ、画素数密度（４４８９個／ｍｍ２）である。
　このように、実施形態の構造では、比較例１と同じ開口率を達成しつつ、接合容量Ｃｊを低減し、回復時間を短くすることができる。また、単位面積当たりに含まれる画素数が多いため、ダイナミックレンジを向上させることができる。
　以上のように、隣接する第２コンタクト電極間の間隔（光検出領域の中心間の間隔）Ｘが、２０μｍ以下の場合、回復時間（τ）が著しく短くなる。光検出部の間隔Ｘ＝１５μｍ以下であれば、回復時間（τ）を１０ｎｓ以下とすることができる。間隔Ｘを、１０μｍ以下とすれば、回復時間（τ）は、更に短くなる。これは、従来、達成できなかった顕著な改善である。
　上述のように、実施形態に係るフォトダイオードアレイでは、金属薄膜抵抗の高い透過率を利用し、比較例１，２において用いた張り出し電極の代わりに、線状にパターニングされた金属薄膜抵抗により、張り出し構造を形成し、デッドスペースを低減している。所望の抵抗値を得るために、図５～図９に示す構造の場合、抵抗層４Ｂによって、半導体領域１４の輪郭（エッジ）の一部（右隅の位置）を被覆することができないが、この部分は、抵抗層４Ｂの幅程度であり、表面準位安定化に対する特性低下の影響は小さい。また、図４に示す構造では、半導体領域１４の輪郭（エッジ）の全てを被覆している。
　図１２は、図１及び図２に示したフォトダイオードアレイの製造方法について説明するための図である。
　まず、図１２（Ａ）に示すように、半導体領域（半導体基板）１２上に、エピタキシャル成長法又は不純物拡散法或いはイオン注入法により、半導体領域１３を形成する。なお、半導体領域１２は、ＣＺ法又はＦＺ法により形成された（１００）Ｓｉ半導体基板であるが、他の面方位を有する半導体基板を用いることもできる。Ｓｉエピタキシャル成長法を用いる場合には、例えば、原材料として、気相の四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）と三塩化シラン（トリクロルシラン、ＳｉＨＣｌ３）を用い、成長温度１２００℃において、基板表面上にこれらのガスを流す。不純物拡散法の場合には、半導体領域１３の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域１２内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域１３の導電型に対応する不純物を半導体領域１２内にイオン注入する。
　次に、半導体領域１３の表面側の領域に、半導体領域１４を形成する。これには不純物の拡散法又はイオン注入法を用いることができる。例えば、拡散法において、不純物原材料として、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）を用いる場合には、拡散温度を１２００℃に設定することができる。半導体領域１４の形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、半導体領域１３上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、不純物の添加を行う。なお、不純物の添加は、格子状の配線パターン３Ｃを形成した後、これをマスクとして、絶縁層１６を介して、イオン注入法により行ってもよい。
　次に、半導体基板上に絶縁層１６を形成する。絶縁層１６は、Ｓｉ熱酸化法を用いて形成することができる。酸化温度は例えば１０００℃である。これにより、半導体領域１３及び１４の表面が酸化され、ＳｉＯ２からなる絶縁層１６が形成される。絶縁層１６の形成にはＣＶＤ法を用いることもできる。
　次に、絶縁層１６における半導体領域１４上の位置に、コンタクトホールを形成する。
コンタクトホールの形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層１６上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、絶縁層１６をエッチングする。エッチング法としては、ドライエッチング法の他、ＨＦ水溶液を含むエッチング液によるウエットエッチングを用いることもできる。
　次に、絶縁層１６上に、蒸着法により、第１コンタクト電極３Ａ及び配線パターン３Ｃを形成する。これらの形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層１６上に所定のレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、電極材料を絶縁層１６上に蒸着する。ここでは、蒸着法に代えて、スパッタ法を用いることもできる。
　次に、図１２（Ｂ）に示すように、絶縁層１６上に絶縁層１７を形成する。絶縁層１７は、スパッタ法やプラズマＣＶＤ法を用いて形成することができる。プラズＣＶＤ法を用いる場合、原材料ガスとして、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガスを用い、成長温度を２００℃程度に設定して絶縁層１７の成長を行う。絶縁層１７の厚みは、その表面が平坦化される厚みに設定されることが好ましく、絶縁層１６の表面から配線パターン３Ｃの上面までの高さよりも大きいことが好ましい。
　次に、図１２（Ｃ）に示すように、絶縁層１７上に、抵抗部４を形成する。この形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層１７上に所定のレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、抵抗材料を絶縁層１７上にスパッタ法又は蒸着法を用いて堆積する。抵抗体が、ＳｉＣｒからなる場合、スパッタ法を用い、ターゲット材料としては、例えば、ＳｉとＣｒの組成比が７０％／３０％のＳｉＣｒを用いることができ、厚みは３～５０ｎｍに設定することができる。
　なお、図１３に示す構造の光検出部を製造する場合、半導体領域１４の形成前に、半導体領域１５を不純物拡散法又はイオン注入法を用いて、半導体領域１３の表面側に形成しておけばよい。不純物拡散法の場合には、半導体領域１５の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域１３内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域１５の導電型に対応する不純物を半導体領域１３内にイオン注入する。
　なお、上述の実施形態の場合、抵抗層４Ｂの平面形状は、環状又はリングの一部の形状或いは、スパイラル形状であったが、これは方形波、三角波又は正弦波のように蛇行形状であってもよい。
　また、実施形態に係るフォトダイオードアレイの効果について、更に説明する。
　ガイガーモードにおいてフォトダイオードアレイを動作させる場合、フォトン（光子）が１つの光検出部１０に入射した場合の回復時間（電圧回復時間）τは、光検出部１０における光検出領域の面積及びｐｎ接合から広がる空乏層幅によって規定される接合容量（画素容量）Ｃｊと、抵抗部４の抵抗値（クエンチング抵抗値Ｒｑ）の積（ＲＣ定数＝Ｃｊ×Ｒｑ）に依存する。
　画素サイズ（光検出部の面積）を小さくすると、接合容量Ｃｊは小さくなるので、同一の回復時間τ、すなわち、同一のＲＣ定数を得るためには、クエンチング抵抗値Ｒｑを大きくする必要がある。クエンチング抵抗値Ｒｑは、抵抗率、厚さ、幅及び長さを調整して決定することができる。抵抗率、幅、厚さはプロセス条件により制限されるため、抵抗値Ｒｑは、長さを変えることで、調整することが合理的である。同一の回復時間τを得るには、画素サイズが大きいほど、抵抗層４Ｂを短く設定し、画素サイズが小さいほど、抵抗層４Ｂを長く設定する。
　ＲＣ定数が小さすぎる場合には、アバランシェ増倍発生後のクエンチングが不十分となり、ラッチング電流と呼ばれる現象が生じ、正常な動作を示さない。一方、ＲＣ定数が大きすぎる場合には、回復時間（電圧回復時間）が長くなる。したがって、ＲＣ定数の値は、デバイスに応じた最適な値（２～２０ｎｓ）に設定される。
　なお、ゲインは接合容量Ｃｊと印加電圧に依存しており、実施形態の構造は、接合容量Ｃｊを小さくすることで、ゲインを低減している。フォトダイオードアレイのノイズ成分として、ダークパルスの他にアフターパルス、オプティカルクロストークによる擬似出力信号も含まれている。アフターパルスはアバランシェ増倍により発生した電子・ホールの一部が不純物準位等にトラップされ、ある時間間隔をおいて、後に放出されることで、再度アバランシェ増倍が起こり発生するパルスのことである。オプティカルクロストークはアバランシェ増倍中に低確率で発生したフォトンが隣接ピクセルに進入、吸収されることで発生した電子・ホール対が、アバランシェ増倍を起こし発生するパルスによるものである。いずれも１フォトンに対する出力が１パルスでなく複数パルスとなってしまうノイズ成分である。
　実施形態の構造のように、接合容量Ｃｊ、すなわち、ゲインが小さければアバランシェ増倍により発生する電子・ホール対の総数が少なくなるため、アフターパルス、オプティカルクロストークによるパルスが発生する確率が少なくなり、ノイズ低減の効果が得られる。
　接合容量Ｃｊが大きく、ゲインが大きい素子であるほど、発生したキャリアを掃き出す時間が長いため、電圧回復時間は長く、ゲインが小さいほど、回復時間は短くなる。実施形態のように、画素ピッチを小さくすると、電圧回復時間が短くなり、フォトンのカウントレートを向上させることができる。
　なお、上述のように、フォトダイオードアレイの受光領域は、複数の光検出部を含み、個々の光検出部は、基板表面側の半導体領域１３（ここでは、第１半導体領域とする）と、当該半導体領域１３の内側に形成され光検出チャンネルを構成する半導体領域１４（ここでは、第２半導体領域とする）と、第２半導体領域１４に電気的に接続された抵抗層４Ｂと、抵抗層４Ｂに電気的に接続された信号読出用の配線パターン３Ｃとを備えている。そして、抵抗層４Ｂは第２半導体領域１４上に絶縁層１６を介して位置し、平面視において、配線パターン３Ｃは、第２半導体領域１４の周囲を囲んでいる。
　また、上述の抵抗層４Ｂは、平面視において、半導体領域１３と半導体領域１４との間の境界を覆うように配置されている。
　上述の構造は、安定した動作が可能である。
　１０…光検出部、１２…第１半導体領域、１４（１３）…第２半導体領域、３Ａ…第１コンタクト電極、４Ａ…第２コンタクト電極、４Ｂ…抵抗層。

 

Claims (11)

  1. 　受光領域を備えたフォトダイオードアレイにおいて、
    　前記受光領域は、複数の光検出部を含み、
    　個々の前記光検出部は、
    　第１導電型の第１半導体領域と、
    　前記第１半導体領域とｐｎ接合を構成する第２導電型の第２半導体領域と、
    　前記第２半導体領域に接触する第１コンタクト電極と、
    　前記第１コンタクト電極とは異なる材料を備え、前記第１コンタクト電極に重なる位置に配置され、前記第１コンタクト電極に接触する第２コンタクト電極と、
    　前記第２コンタクト電極に連続する抵抗層と、
    を備えることを特徴とするフォトダイオードアレイ。
  2. 　前記第２コンタクト電極及び前記抵抗層は、ＳｉＣｒを備えることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。
  3. 　前記抵抗層は、曲線的に延びて、信号読出用の配線パターンに接続されていることを特徴とする請求項２に記載のフォトダイオードアレイ。
  4. 　前記抵抗層の厚みは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のフォトダイオードアレイ。
  5. 　前記配線パターンは、個々の前記光検出部を囲む形状を含んでおり、
    　個々の前記第２コンタクト電極は、前記配線パターンによって囲まれた個々の光検出領域の中央部に位置し、
    　前記抵抗層の二次元パターンは、前記第２コンタクト電極の周囲を回転するように延びた形状を含んでいる、
    ことを特徴とする請求項４に記載のフォトダイオードアレイ。
  6. 　隣接する前記光検出部の中心間の間隔は、２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。
  7. 　隣接する前記光検出部の中心間の間隔は、１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。
  8. 　隣接する前記光検出部の中心間の間隔は、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。
  9. 　フォトンが前記光検出部に入射した場合、前記光検出部からの出力の強度ピーク値を与える時刻から、この強度ピーク値の３７％に前記光検出部からの出力がなる時刻までの期間で規定される回復時間が、１０ｎｓ以下であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。
  10. 　受光領域を備えたフォトダイオードアレイにおいて、
    　前記受光領域は、複数の光検出部を含み、
    　個々の前記光検出部は、
    　第１半導体領域と、
    　前記第１半導体領域の内側に形成され光検出チャンネルを構成する第２半導体領域と、
    　前記第２半導体領域に電気的に接続された抵抗層と、
    　前記抵抗層に電気的に接続された信号読出用の配線パターンと、
    を備え、
    　前記抵抗層は前記第２半導体領域上に絶縁層を介して位置し、
    　前記配線パターンは、平面視において、前記第２半導体領域の周囲を囲んでいる、
    ことを特徴とするフォトダイオードアレイ。
  11. 　前記抵抗層は、平面視において、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間の境界を覆うように配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のフォトダイオードアレイ。
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Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6603657B2 (ja) 2014-06-09 2019-11-06 株式会社半導体エネルギー研究所 撮像装置
TWI700823B (zh) * 2014-06-27 2020-08-01 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
WO2018021411A1 (ja) * 2016-07-27 2018-02-01 浜松ホトニクス株式会社 光検出装置
WO2018140924A1 (en) * 2017-01-30 2018-08-02 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
WO2020121852A1 (ja) 2018-12-12 2020-06-18 浜松ホトニクス株式会社 光検出装置
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
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

Citations (3)

* 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
JP2011003740A (ja) * 2009-06-18 2011-01-06 Hamamatsu Photonics Kk 光検出装置
JP2012099580A (ja) * 2010-10-29 2012-05-24 Hamamatsu Photonics Kk フォトダイオードアレイ

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
WO2008048694A2 (en) * 2006-02-01 2008-04-24 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Geiger mode avalanche photodiode
US7759650B2 (en) * 2006-04-25 2010-07-20 Koninklijke Philips Electronics N.V. Implementation of avalanche photo diodes in (Bi)CMOS processes
WO2008004547A1 (fr) * 2006-07-03 2008-01-10 Hamamatsu Photonics K.K. Ensemble photodiode
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
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
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

Patent Citations (3)

* 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
JP2011003740A (ja) * 2009-06-18 2011-01-06 Hamamatsu Photonics Kk 光検出装置
JP2012099580A (ja) * 2010-10-29 2012-05-24 Hamamatsu Photonics Kk フォトダイオードアレイ

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