WO2020079897A1 - 光検出素子及び光検出装置 - Google Patents

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light absorption
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cap layer
light
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光人 間瀬
桂基 田口
兆 石原
洋夫 山本
明洋 島田
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浜松ホトニクス株式会社
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    • H01L27/14694—The active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP

Definitions

  • the present disclosure relates to a light detection element and a light detection device.
  • a semiconductor substrate provided with a photosensitive region, an insulating layer formed on the semiconductor substrate, and a pixel on the insulating layer
  • a distance image sensor including a photogate electrode and a transfer electrode formed for each (for example, refer to Patent Document 1).
  • the semiconductor substrate is made of silicon
  • the photogate electrode and the transfer electrode are made of polysilicon.
  • a range image sensor capable of detecting light having a wavelength of about 1.5 ⁇ m has been required to acquire a range image of an object in fog or smoke.
  • the semiconductor substrate forming the distance image sensor is made of silicon, it is not possible to obtain sufficient sensitivity to light having a wavelength of about 1.5 ⁇ m. Therefore, in order to obtain sufficient sensitivity to light having a wavelength of about 1.5 ⁇ m, it is conceivable to use a compound semiconductor substrate as a semiconductor substrate forming the distance image sensor. However, in that case, it is difficult to form the photogate electrode and the transfer electrode on the compound semiconductor substrate.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • the output control of the detection signal on the order of ⁇ seconds is the limit, and therefore the output control of the detection signal by the CMOS requires the indirect TOF method which requires the output control of the detection signal at the high speed of the order of several tens of nanoseconds. Is not enough for.
  • the present disclosure aims to provide a photodetector and a photodetector capable of realizing high-speed output control of a detection signal with a simple configuration.
  • a photodetecting element includes a semiconductor substrate, a first-conductivity-type light absorption layer formed on the semiconductor substrate, a first-conductivity-type cap layer formed on the light absorption layer, and a cap.
  • the depletion layer which is formed in the layer and has a second conductivity type semiconductor region forming a pn junction with the cap layer, is formed around the semiconductor region when a reverse bias is not applied to the pn junction.
  • the reverse bias of 20 V is applied to the pn junction without reaching the light absorption layer, the position exceeds 50% of the thickness of the light absorption layer from the cap layer side.
  • the depletion layer does not reach the light absorption layer unless a reverse bias is applied to the pn junction, so that the incidence of light to be detected causes carriers (electrons and holes) in the light absorption layer. Even if occurs, no current flows in the pn junction. That is, for example, by not applying a reverse bias to the pn junction, it is possible to prevent the photodetection element from outputting a detection signal to the outside.
  • a reverse bias of 20 V is applied to the pn junction, the depletion layer exceeds the position of 50% of the thickness of the light absorption layer from the cap layer side.
  • the potential difference of 20 V is, for example, a potential difference that is unlikely to affect the design of a circuit in the subsequent stage such as a CMOS, and is a potential difference that can be modulated at a high speed of the order of several tens of nanoseconds. Therefore, according to this photodetector, output control of the detection signal at high speed can be realized with a simple configuration.
  • the depletion layer may exceed 80% of the thickness of the light absorption layer from the cap layer side when a reverse bias of 20 V is applied to the pn junction. . According to this, the sensitivity and the responsiveness can be improved. In particular, it is effective for a configuration in which light is incident from the semiconductor substrate side.
  • the photodetector according to one aspect of the present disclosure may further include a first conductivity type relaxation layer formed between the light absorption layer and the cap layer. According to this, it is possible to smoothly move the carriers generated in the region where the depletion layer is expanded in the light absorption layer.
  • the light absorption layer and the cap layer may be in contact with each other. According to this, it is possible to further reduce the reverse bias for exceeding the position where the depletion layer is at least 50% of the thickness of the light absorption layer from the cap layer side.
  • a plurality of semiconductor regions are formed in the cap layer and may be arranged one-dimensionally or two-dimensionally when viewed from the thickness direction of the semiconductor substrate. According to this, the photo-detecting element can be used for acquiring the range image.
  • a plurality of semiconductor regions are formed in the cap layer and are arranged one-dimensionally when viewed from the thickness direction of the semiconductor substrate.
  • the width of the cap layer may be smaller than the width of the semiconductor substrate in the width direction perpendicular to both the arrangement directions of the semiconductor regions. According to this, it is possible to suppress the carriers generated in the region around the pn junction region from becoming noise.
  • the width of the light absorption layer may be smaller than the width of the semiconductor substrate in the width direction. According to this, carriers generated in the region around the pn junction region can be more reliably suppressed from becoming noise.
  • the first conductivity type may be n-type and the second conductivity type may be p-type. According to this, the easiness of manufacturing the photodetector can be ensured.
  • a photodetector includes the above-described photodetector and a signal processing unit that applies a pulse voltage signal to a pn junction and acquires a detection signal output from the photodetector.
  • the signal is a voltage signal in which a first voltage at which the depletion layer does not reach the light absorption layer and a second voltage at which the depletion layer reaches the light absorption layer are alternately repeated.
  • the pulse light reflected by the target object is irradiated with the pulsed light having the sensitivity by the photodetection element.
  • the second voltage may be a voltage at which the depletion layer reaches 100% of the thickness of the light absorption layer from the cap layer side. According to this, the sensitivity and the responsiveness can be improved. In particular, it is effective for a configuration in which light is incident from the semiconductor substrate side.
  • the second voltage may be 20V or less. According to this, the sensitivity and the responsiveness can be more surely improved.
  • the second voltage may be 10V or less. According to this, the sensitivity and the responsiveness can be more surely improved.
  • the second voltage may be 5V or less. According to this, the sensitivity and the responsiveness can be more surely improved.
  • the photodetector according to one aspect of the present disclosure may further include a light source that outputs pulsed light with which the photodetector has sensitivity. According to this, the information regarding the distance to the target object can be acquired as described above.
  • the light source may output pulsed light at a frequency of 10 KHz or higher. According to this, the information regarding the distance to the target can be appropriately acquired.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a photodetector according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of the photodetection unit shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a portion of the photodetector element shown in FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a portion of the photodetector element shown in FIG.
  • FIG. 5 is a timing chart for acquiring information regarding the distance to the object.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a part of the photodetector element of the modified example.
  • FIG. 7 is another cross-sectional view of the photodetector of the modification.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a part of the photodetector element of the modified example.
  • FIG. 9 is another cross-sectional view of the photodetector of the modification.
  • the light detection device 1 includes a light detection unit 2, a light source 3, a control unit 4, and a display unit 5.
  • the light detection device 1 is a device that obtains a distance image of the object OJ (an image including information on the distance d to the object OJ) using the indirect TOF method.
  • the photodetection unit 2 has a signal processing circuit (signal processing unit) 6 and a photodetection element 10A.
  • the signal processing circuit 6 includes a voltage signal generation circuit 61, a CMOS readout circuit 62, a vertical scanning circuit 63, a column circuit 64, a horizontal scanning circuit 65, an amplifier 66, and a timing generation circuit 67.
  • the photodetector 10A is a back-illuminated InGaAs area sensor, and is bump-connected on the CMOS read circuit 62.
  • the voltage signal generation circuit 61 generates a pulse voltage signal and applies it to the photodetection element 10A.
  • the CMOS readout circuit 62 is composed of a plurality of charge amplifiers and the like, and when a detection signal is output from each pixel of the photodetection element 10A, each charge amplifier integrates the signal current.
  • the vertical scanning circuit 63 sequentially selects a plurality of charge amplifiers of the CMOS readout circuit 62 for each row.
  • the column circuit 64 samples and holds the signal voltage integrated at each charge-up of the selected row together with the reset voltage.
  • the horizontal scanning circuit 65 sequentially transfers the voltage difference between the signal voltage sampled and held in the column circuit 64 and the reset voltage to the amplifier 66.
  • the amplifier 66 amplifies the voltage difference between the signal voltage and the reset voltage sequentially transferred from the column circuit 64, and outputs the amplified voltage difference to the control unit 4 (see FIG. 1) as an output voltage signal.
  • the timing generation circuit 67 controls the operation timing of the voltage signal generation circuit 61, the vertical scanning circuit 63, and the horizontal scanning circuit 65. In the case of analog output, the amplifier 66 is provided, but in the case of digital output, an AD converter is provided instead of the amplifier 66.
  • the photodetector element 10A includes an n-type (first conductivity type) semiconductor substrate 11, an n-type light absorption layer 12, an n-type relaxation layer 13, and an n-type cap layer. 14 and a plurality of p-type (second conductivity type) semiconductor regions 15 are provided.
  • the light absorption layer 12 is formed on the semiconductor substrate 11 by, for example, epitaxial growth.
  • the relaxation layer 13 is formed on the light absorption layer 12 by, for example, epitaxial growth.
  • the cap layer 14 is formed on the relaxation layer 13 by, for example, epitaxial growth.
  • the relaxation layer 13 is composed of a plurality of layers 13 a, 13 b, 13 c and is formed between the light absorption layer 12 and the cap layer 14.
  • the band gaps of the respective layers 13a, 13b, 13c are set so as to reduce the difference between the band gap of the light absorption layer 12 and the band gap of the cap layer 14.
  • the relaxation layer 13 may be composed of one layer as long as the difference between the band gap of the light absorption layer 12 and the band gap of the cap layer 14 can be relaxed. By providing the relaxation layer 13 in this manner, it becomes easier to form the cap layer 14 as compared with the case where the cap layer 14 is directly formed on the light absorption layer 12.
  • the plurality of semiconductor regions 15 are formed in the cap layer 14 by, for example, thermal diffusion or ion implantation.
  • the plurality of semiconductor regions 15 are arranged two-dimensionally (for example, in a matrix) when viewed from the thickness direction of the semiconductor substrate 11.
  • Each semiconductor region 15 is formed along the surface of the cap layer 14 opposite to the semiconductor substrate 11, and is separated from the surface of the cap layer 14 on the semiconductor substrate 11 side.
  • Each semiconductor region 15 forms a pn junction with the cap layer 14 and forms each pixel P.
  • a depletion layer D1 is formed around each semiconductor region 15.
  • the semiconductor region 15 is, for example, an impurity region having an impurity concentration of 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or higher.
  • the semiconductor substrate 11 is an n + -InP substrate having a carrier concentration of 0.5 to 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 (for example, about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 ) and its thickness is It is 150 to 300 ⁇ m (for example, about 200 ⁇ m).
  • the light absorption layer 12 is an n ⁇ -InGaAs layer having a carrier concentration of 3 to 10 ⁇ 10 14 cm ⁇ 3 (eg, about 5 ⁇ 10 14 cm ⁇ 3 ) and has a thickness of 1 to 5 ⁇ m (eg, 2 ⁇ m). Degree).
  • the relaxation layer 13 is an n ⁇ -InGaAsP layer having a carrier concentration of 0.3 to 5 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 (for example, about 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 ), and its thickness is 0.1 to 0. It is 0.6 ⁇ m (for example, about 0.2 ⁇ m).
  • the cap layer 14 is an n ⁇ -InP layer having a carrier concentration of 0.3 to 5 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 (eg, about 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 ) and has a thickness of 1 to 2 ⁇ m (eg, About 1.5 ⁇ m).
  • Each semiconductor region 15 is a p + region having a carrier concentration of 0.1 to 10 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 (for example, about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 ), and its thickness is 0.1 to 1 ⁇ m ( For example, about 0.5 ⁇ m).
  • the light detection element 10A further includes a plurality of first electrodes 16 and a plurality of second electrodes 17.
  • the first electrode 16 and the second electrode 17 are formed on the insulating film 18 formed on the surface of the cap layer 14 opposite to the semiconductor substrate 11.
  • the first electrode 16 and the second electrode 17 are formed of, for example, Ti, Pt, Cr, Ni, Au, an alloy thereof, or the like.
  • the insulating film 18 is, for example, a silicon nitride film, a silicon oxide film, or the like.
  • Each first electrode 16 extends into the groove (or through hole) formed in the light absorption layer 12, the relaxation layer 13, the cap layer 14, and the insulating film 18, and the light absorption layer 12, the relaxation layer 13, and It is in electrical contact with the cap layer 14.
  • the groove (or the through hole) is formed so as not to affect the depletion layer D1.
  • Each second electrode 17 extends into the opening (or through hole) formed in the insulating film 18 and is in electrical contact with each semiconductor region 15. Since the first electrode 16 functions as a common electrode, at least one first electrode 16 may be provided for the plurality of pixels P. Since the second electrode 17 functions as an individual electrode, it is necessary to provide one for each pixel P.
  • the groove (or through hole) in which each first electrode 16 extends is formed in the semiconductor substrate 11, the light absorption layer 12, the relaxation layer 13, and the cap layer 14 as long as it is formed so as not to affect the depletion layer D1. Either may be reached.
  • the pixel separation section 20 is provided in the light absorption layer 12, the relaxation layer 13, and the cap layer 14.
  • the pixel separating section 20 extends so as to pass between the adjacent pixels P (that is, so as to pass between the adjacent semiconductor regions 15).
  • the pixel separating section 20 extends in a grid.
  • the pixel separation section 20 is configured by forming a p-type semiconductor region 22 along the inner surface of the groove 21 formed in the light absorption layer 12, the relaxation layer 13, and the cap layer 14.
  • a depletion layer D2 is formed around the semiconductor region 22.
  • the pixel separation section 20 (that is, the groove 21 and the semiconductor region 22) reaches the side surface of the photodetector element 10A, and the semiconductor region 22 is short-circuited on the side surface.
  • the inner surface of the groove 21 is covered with the insulating film 18.
  • the depletion layer D1 formed around the semiconductor region 15 is not biased in the reverse direction between the first electrode 16 and the second electrode 17 (in a non-biased state). It has not reached the light absorption layer 12.
  • a reverse bias of 20 V is applied between the first electrode 16 and the second electrode 17
  • the depletion layer D1 absorbs light from the cap layer 14 side as shown in FIG. The position exceeds 80% of the thickness of the layer 12 (80% of the thickness of the light absorption layer 12 from the surface of the light absorption layer 12 on the side of the cap layer 14 side as a reference).
  • the reverse bias is applied / not applied between the first electrode 16 and the second electrode 17
  • the reverse bias is applied to the pn junction formed by the semiconductor region 15 and the cap layer 14.
  • -It is synonymous with “not applied” (hereinafter the same).
  • the potential of the second electrode 17 is ⁇ 20 V with reference to the potential of the first electrode 16. So that a reverse bias is applied between the first electrode 16 and the second electrode 17. Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the depletion layer D1 reaches the layer 13c of the relaxation layer 13 in the non-biased state, but the depletion layer D1 reaches the light absorption layer 12 in the non-biased state. If not, it may reach the other layers 13a and 13b of the relaxation layer 13 or may not reach the relaxation layer 13 (that is, may be contained in the cap layer 14).
  • the reverse bias V required for the depletion layer D1 to reach the light absorption layer 12 is the one-sided staircase junction (one -sided abrupt junction), it is expressed by equation (1).
  • W1 is the distance between the depletion layer D1 and the surface of the layer 13c on the light absorption layer 12 side
  • W2 is the thickness of the layer 13b
  • W3 is the thickness of the layer 13a.
  • ⁇ r1 is the relative permittivity of the layer 13c
  • ⁇ r2 is the relative permittivity of the layer 13b
  • ⁇ r3 is the relative permittivity of the layer 13a.
  • N1 is the carrier concentration of the layer 13c
  • N2 is the carrier concentration of the layer 13b
  • N3 is the carrier concentration of the layer 13a.
  • q is an electric charge and ⁇ 0 is an electric constant.
  • the depletion layer D1 reaches the layer 13c of the relaxation layer 13 in the non-biased state, the position X% of the thickness of the light absorption layer 12 from the side of the cap layer 14 (on the side of the cap layer 14 in the light absorption layer 12).
  • the reverse bias V required for the depletion layer D1 to reach the position (X% of the thickness of the light absorption layer 12 from the surface of the semiconductor region 15) as a reference is that the semiconductor region 15 is in a one-sided staircase junction state. Assuming that it is expressed by equation (3).
  • Wab is the thickness of the light absorption layer 12
  • ⁇ rab is the relative dielectric constant of the light absorption layer 12
  • Nab is the carrier concentration of the light absorption layer 12.
  • various parameters of the photodetecting element 10A are set so as to satisfy the expressions (2) and (4).
  • the position is 100% of the thickness of the light absorption layer 12 from the cap layer 14 side.
  • the depletion layer D1 reaches. That is, in this embodiment, various parameters of the photodetector element 10A are set so as to satisfy the expression (5).
  • the term of the cap layer 14 is provided on the right side of the equations (1) to (5). Should be added. In that case, when the relaxation layer 13 does not exist, the term relating to the relaxation layer 13 may be subtracted from the right side of Expressions (1) to (5). As described above, the terms corresponding to each layer may be added or subtracted on the right side of Expressions (1) to (5) depending on the layer structure of the photodetection element 10A and the like.
  • the light source 3 outputs a pulsed light L having a sensitivity to the photodetector 10A (that is, photoelectric conversion can occur in the photodetector 10A) at a frequency of 10 KHz or higher.
  • the light source 3 is, for example, an infrared LED or the like, and outputs the pulsed light L having a wavelength of about 1.5 ⁇ m.
  • the pulsed light L output from the light source 3 is applied to the object OJ, and the pulsed light L reflected by the object OJ is incident on the photodetection element 10A.
  • the control unit 4 controls the light detection unit 2 and the light source 3, generates a distance image of the object OJ based on the output voltage signal output from the light detection unit 2, and causes the display unit 5 to display the distance image.
  • the depletion layer D1 does not reach the light absorption layer 12, and thus the pulse is generated. Even if carriers (electrons and holes) are generated in the light absorption layer 12 due to the incidence of the light L, a current does not flow between the first electrode 16 and the second electrode 17. That is, by not applying, for example, a reverse bias between the first electrode 16 and the second electrode 17, it is possible to prevent the photodetection element 10A from outputting the detection signal to the signal processing circuit 6.
  • the potential difference of 20 V is a potential difference that is unlikely to affect the design of the signal processing circuit 6 in the subsequent stage, and is a potential difference capable of high-speed modulation of the order of several tens of nanoseconds. Therefore, according to the photodetector element 10A, output control of the detection signal at high speed can be realized with a simple configuration.
  • the depletion layer D1 when a reverse bias of 5 V is applied between the first electrode 16 and the second electrode 17, the depletion layer D1 has a thickness of 100 from the cap layer 14 side to the thickness of the light absorbing layer 12. % Position is reached. Since the photo-detecting element 10A is a back-illuminated area sensor in which light is incident from the semiconductor substrate 11 side, the depletion layer D1 reaches the light-incident-side surface of the light absorption layer 12 by applying a reverse bias of 5V. Is effective in improving sensitivity and responsiveness.
  • the avalanche photodiode is also an element that detects light by applying a reverse bias, but it is fundamentally different from the photodetection element 10A in that a potential difference of, for example, 50 V is required as a reverse bias.
  • an electric field suppression layer is formed between the light absorption layer and the cap layer in order to increase the electric field strength applied to the cap layer on which the multiplication layer is formed and to reduce the electric field strength applied to the light absorption layer. There is.
  • an electric field suppression layer is formed between the light absorption layer 12 and the cap layer 14 in order to reduce the electric field strength applied to the cap layer 14 and increase the electric field strength applied to the light absorption layer 12.
  • the potential difference of 50 V is a potential difference that easily affects the design of a circuit in the subsequent stage such as a CMOS, and is a potential difference that cannot be modulated at a high speed of the order of several tens of nanoseconds.
  • the n-type relaxation layer 13 is formed between the light absorption layer 12 and the cap layer 14. As a result, carriers generated in the region of the light absorption layer 12 where the depletion layer D1 has spread can be smoothly moved.
  • the photodetector element 10A when viewed from the thickness direction of the semiconductor substrate 11, the plurality of semiconductor regions 15 are two-dimensionally arranged in the cap layer 14. Thereby, the distance image of the object OJ can be acquired.
  • the pixel separating section 20 is provided in the light absorbing layer 12, the relaxing layer 13 and the cap layer 14. As a result, the occurrence of crosstalk between the adjacent pixels P can be suppressed. Further, even if carriers are generated in the light absorption layer 12 in the non-biased state, the carriers are captured by the depletion layer D2 formed around the semiconductor region 22. Therefore, when the non-biased state is switched to the reverse bias applied state, it is possible to suppress the carriers generated in the light absorption layer 12 from becoming noise in the non-biased state.
  • the carrier concentration of each of the light absorption layer 12, the relaxation layer 13, and the cap layer 14 is set to 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less.
  • the depletion layer D1 can be smoothly spread to the light absorption layer 12 by applying a reverse bias having a potential difference of 20 V or less.
  • the photodetection device 1 applies a pulse voltage signal between the photodetection element 10A and the first electrode 16 and the second electrode 17, and acquires a detection signal output from the photodetection element 10A. 6 and the light source 3 that outputs the pulsed light L to which the photodetector 10A has sensitivity at a frequency of 10 KHz or higher. This makes it possible to appropriately acquire information regarding the distance d to the object OJ, as in the following calculation example.
  • the pulse voltage signal V3 IN applied to the photodetector element 10A in three stages is shown. Note that this calculation example focuses on one arbitrary pixel P.
  • the output voltage signal V1 OUT is acquired in a state where the pulsed light L is output from the light source 3 with the intensity signal I OUT and the pulse voltage signal V1 IN is applied to the photodetection element 10A.
  • the pulse width T of the intensity signal I OUT is, for example, 30 nsec (measurable distance: up to 4.5 m), 40 nsec (measurable distance: up to 6.0 m), 60 nsec (measurable distance: up to 9.0 m). Thus, it is set according to the distance to be measured.
  • the pulse voltage signal V1 IN is a voltage signal in which a first voltage V L at which the depletion layer D1 does not reach the light absorption layer 12 and a second voltage V H at which the depletion layer D1 reaches the light absorption layer 12 are alternately repeated.
  • the intensity signal I OUT is a voltage signal having the same period, pulse width, and phase.
  • the first voltage V L is 0V in this embodiment.
  • the second voltage V H is the voltage at which the depletion layer D1 reaches 100% of the thickness of the light absorption layer 12 from the cap layer 14 side, and is 5 V in this embodiment.
  • the photodetecting element 10A outputs the detection signal only during the period in which the second voltage V H is applied, and therefore the output voltage signal V1 OUT is the pulse of the intensity signal I IN and the pulse of the pulse voltage signal V1 IN .
  • the output voltage signal V1 OUT is the pulse of the intensity signal I IN and the pulse of the pulse voltage signal V1 IN .
  • the integral value of the charge amount Q1 of the overlapping portion corresponds to the integral value of the charge amount Q1 of the overlapping portion.
  • the output voltage signal V2 OUT is acquired in the state where the pulsed light L is output from the light source 3 with the intensity signal I OUT and the pulse voltage signal V2 IN is applied to the light detection element 10A.
  • the pulse voltage signal V2 IN is the same voltage signal as the pulse voltage signal V1 IN except that the phase is shifted by 180 °.
  • the photo-detecting element 10A outputs the detection signal only during the period when the second voltage V H is applied, and thus the output voltage signal V2 OUT is the pulse of the intensity signal I IN and the pulse of the pulse voltage signal V2 IN .
  • the output voltage signal V2 OUT is the pulse of the intensity signal I IN and the pulse of the pulse voltage signal V2 IN .
  • the output voltage signal V3 OUT is acquired in a state where the pulsed light L is not output from the light source 3 and the pulse voltage signal V3 IN is applied to the photodetecting element 10A.
  • the photo-detecting element 10A outputs the detection signal only during the period when the second voltage V H is applied, so that if there is ambient light, the output voltage signal V3 OUT is the intensity signal of the ambient light and the pulse voltage signal. It corresponds to the integral value of the amount of charge in the portion where the V3 IN pulse overlaps.
  • the control unit 4 determines the target object for each pixel P based on the output voltage signals V1 OUT , V2 OUT , and V3 OUT .
  • the distance d to OJ is calculated.
  • the distance d is represented by equation (6).
  • c is the speed of light.
  • the photodetection element 10A can be switched (modulated) in the order of several tens of nanoseconds.
  • the second voltage V H of each output voltage signal V 1 OUT and V 2 OUT is a voltage at which the depletion layer D 1 reaches 100% of the thickness of the light absorption layer 12 from the cap layer 14 side. is there.
  • the light source 3 is a light source that emits the pulsed light L having a wavelength of about 1.5 ⁇ m, and the photodetection element 10 receives the pulsed light L having a wavelength of about 1.5 ⁇ m.
  • the InGaAs area sensor has sufficient sensitivity. This facilitates acquisition of a distance image of the object OJ even in fog or smoke, for example.
  • the second voltage V H may be a voltage of 20 V or less (preferably a voltage of 10 V or less, more preferably a voltage of 5 V or less). In that case, in the photodetector 1, the sensitivity and the responsiveness can be more surely improved.
  • the photodetecting element 10A may be configured as a linear sensor in which a plurality of semiconductor regions 15 are one-dimensionally arranged in the cap layer 14.
  • 6 and 7 show a photodetecting element 10B configured as a back illuminated InGaAs linear sensor.
  • 6 is a cross-sectional view of a part of the photodetector element 10B along a plane parallel to the arrangement direction of the plurality of semiconductor regions 15 (hereinafter, simply referred to as "arrangement direction"), and FIG. It is sectional drawing of the photon detection element 10B along a vertical surface.
  • the photodetection element 10B has the above-described photodetection point in that the n-type relaxation layer 13 is not formed between the light absorption layer 12 and the cap layer 14 and the p-type semiconductor region 23 is formed. It is mainly different from the element 10A.
  • the width of the cap layer 14 in the width direction perpendicular to both the thickness direction of the semiconductor substrate 11 and the arrangement direction (hereinafter simply referred to as “width direction”) is The width of the light absorption layer 12 is smaller than the width of the semiconductor substrate 11, and is the same as the width of the semiconductor substrate 11.
  • the semiconductor region 23 is formed along the side surfaces of the cap layer 14 that face each other in the width direction, and along the surface of the light absorption layer 12 opposite to the semiconductor substrate 11 where the cap layer 14 is not formed. ing.
  • the semiconductor region 23 is covered with the insulating film 18.
  • the depletion layer D1 causes the cap layer 14 to be depleted only when a reverse bias of 20 V is applied between the first electrode 16 and the second electrode 17.
  • the position exceeds 80% of the thickness of the light absorption layer 12 from the side. Therefore, according to the photodetector element 10B, similarly to the above-described photodetector element 10A, it is possible to realize high-speed output signal output control with a simple configuration.
  • the photo-detecting element 10B not only the depletion layer D2 formed around the semiconductor region 22 of the pixel separation section 20 but also the depletion layer D3 formed around the semiconductor region 23 absorbs light in a non-biased state.
  • the carriers generated in the layer 12 are captured. Therefore, when the non-biased state is switched to the reverse bias applied state, it is possible to suppress the carriers generated in the light absorption layer 12 from becoming noise in the non-biased state.
  • the width of the cap layer 14 is smaller than the width of the semiconductor substrate 11 in the width direction. As a result, it is possible to suppress the carriers generated in the region around the pn junction region (region of the pixel P) from becoming noise.
  • each of the width of the light absorption layer 12 and the width of the cap layer 14 may be smaller than the width of the semiconductor substrate 11. In that case, it is possible to more reliably suppress the carriers generated in the region around the pn junction region from becoming noise.
  • the n-type relaxation layer 13 may not be formed between the light absorption layer 12 and the cap layer 14.
  • the n-type relaxation layer 13 may be formed between the light absorption layer 12 and the cap layer 14. If the relaxation layer 13 is not formed and the light absorption layer 12 and the cap layer 14 are in contact with each other, the depletion layer D1 exceeds the position of at least 50% of the thickness of the light absorption layer 12 from the cap layer 14 side. The reverse bias of can be made smaller.
  • each of the widths of the layers 14 may be smaller than the width of the semiconductor substrate 11, or in the width direction, each of the width of the light absorption layer 12, the width of the relaxation layer 13, and the width of the cap layer 14 may be a semiconductor. It may be smaller than the width of the substrate 11. In those cases, it is possible to more reliably suppress the carriers generated in the region around the pn junction region from becoming noise.
  • the pixel separating section 20 may not be provided.
  • the pixel separating section 20 may not be provided.
  • the semiconductor region 23 may not be formed.
  • the depletion layer D1 is exposed from the cap layer 14 side when a reverse bias of 20 V is applied between the first electrode 16 and the second electrode 17. It suffices to exceed the position of 50% of the thickness of the light absorption layer 12 (the position of 50% of the thickness of the light absorption layer 12 from the surface with respect to the surface of the light absorption layer 12 on the side of the cap layer 14 as a reference).
  • the position of the depletion layer D1 to be expanded in the range of 50% to 100% of the thickness of the light absorption layer 12 from the side of the cap layer 14 by applying the reverse bias of 20 V depends on the wavelength of the light to be detected and the detection. It is determined according to the incident direction of the target light and the like.
  • both of the above-described photodetection elements 10A and 10B may be configured as a front-illuminated type.
  • the first electrode 16 is formed, for example, on the surface of the semiconductor substrate 11 opposite to the light absorption layer 12.
  • the second electrode 17 for example, an opening for allowing the light to be detected to enter the light absorption layer 12 is formed.
  • the bandgap of the layer provided on the light-incident side of the light-absorbing layer 12 is, from the viewpoint of suppressing light absorption in the layer, It is preferable that the band gap is larger than that of the light absorption layer 12.
  • the band gap of the layer provided on the light-incident side of the light-absorbing layer 12 is light-absorbing from the viewpoint of suppressing dark current. It is preferably larger than the bandgap of layer 12.
  • the p-type and n-type conductivity types may be opposite to those described above.
  • the first electrode 16 serves as a p-type side electrode and the second electrode 17 serves as an n-type side electrode, so that the potential of the second electrode 17 becomes a positive potential with reference to the potential of the first electrode 16.
  • the reverse bias is applied between the first electrode 16 and the second electrode 17.
  • any of the photodetection elements 10A and 10B described above in order to ensure that the semiconductor region 15 is housed in the cap layer 14 at the time of manufacturing, it is provided between the light absorption layer 12 and the cap layer 14 or in the cap layer 14. Layers with different compositions may be formed. In addition, in any of the above-described photodetection elements 10A and 10B, even if the depletion layer D1 does not reach the light absorption layer 12 due to variations in manufacturing, etc. An extremely thin layer having a high carrier concentration may be formed between the absorption layer 12 and the cap layer 14. Further, in any of the photodetection elements 10A and 10B described above, a contact layer for reducing the contact resistance with the electrode may be formed on the cap layer 14.
  • each of the photodetection elements 10A and 10B described above may be configured as a single element in which one semiconductor region 15 is formed in the cap layer 14. Even in that case, output control of the detection signal at high speed can be realized with a simple configuration. Also in that case, by configuring the photodetection device 1, it is possible to obtain information regarding the distance d to the object OJ.
  • the materials and shapes described above are not limited to the materials and shapes described above, and various materials and shapes can be applied to the respective constituents of the photodetection elements 10A and 10B described above.
  • the material of the photodetection elements 10A and 10B described above is not limited to the compound semiconductor, and may be an organic semiconductor, an amorphous material, or the like.
  • each configuration in the above-described one embodiment or modification can be arbitrarily applied to each configuration in the other embodiment or modification.
  • the light detection device 1 may not include the light source 3.
  • An example of the photodetector 1 in that case is an infrared image sensor having a global shutter operation (high-speed shutter operation) necessary for detecting a high-speed object / signal.
  • SYMBOLS 1 ... Photodetection device, 3 ... Light source, 6 ... Signal processing circuit (signal processing part), 10A, 10B ... Photodetection element, 11 ... Semiconductor substrate, 12 ... Light absorption layer, 13 ... Relaxation layer, 14 ... Cap layer, 15 ... Semiconductor region, 16 ... 1st electrode, 17 ... 2nd electrode, D1 ... Depletion layer.

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Abstract

光検出素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成された第１導電型の光吸収層と、光吸収層上に形成された第１導電型のキャップ層と、キャップ層内に形成され、キャップ層とｐｎ接合をなす第２導電型の半導体領域と、を備える。半導体領域の周囲に形成される空乏層は、ｐｎ接合に逆方向バイアスが印加されていない場合に、光吸収層に達しておらず、ｐｎ接合に２０Ｖの逆方向バイアスが印加された場合に、キャップ層側から光吸収層の厚さの５０％の位置を超える。

Description

光検出素子及び光検出装置
　本開示は、光検出素子及び光検出装置に関する。
　間接ＴＯＦ（Time　of　Flight）方式を利用して対象物の距離画像を取得するセンサとして、光感応領域が設けられた半導体基板と、半導体基板上に形成された絶縁層と、絶縁層上に画素ごとに形成されたフォトゲート電極及び転送電極と、を備える距離画像センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の距離画像センサの一例では、半導体基板がシリコンによって形成されており、フォトゲート電極及び転送電極がポリシリコンによって形成されている。
特開２０１１－１３３４６４号公報
　近年、例えば霧中又は煙中において対象物の距離画像を取得するために、１．５μｍ程度の波長を有する光を検出し得る距離画像センサが求められている。しかし、距離画像センサを構成する半導体基板がシリコンによって形成されていると、１．５μｍ程度の波長を有する光に対して十分な感度を得ることができない。そこで、１．５μｍ程度の波長を有する光に対して十分な感度を得るために、距離画像センサを構成する半導体基板に化合物半導体基板を用いることが考えられる。しかし、その場合には、化合物半導体基板上にフォトゲート電極及び転送電極を形成することが困難である。
　また、距離画像センサの後段に設けられたＣＭＯＳにおいて検出信号の出力制御（転送制御）を実施することも考えられる。しかし、ＣＭＯＳではμ秒オーダーでの検出信号の出力制御が限界であるため、ＣＭＯＳによる検出信号の出力制御は、数十ｎ秒オーダーという高速での検出信号の出力制御を必要とする間接ＴＯＦ方式には不十分である。
　本開示は、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる光検出素子及び光検出装置を提供することを目的とする。
　本開示の一側面の光検出素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成された第１導電型の光吸収層と、光吸収層上に形成された第１導電型のキャップ層と、キャップ層内に形成され、キャップ層とｐｎ接合をなす第２導電型の半導体領域と、を備え、半導体領域の周囲に形成される空乏層は、ｐｎ接合に逆方向バイアスが印加されていない場合に、光吸収層に達しておらず、ｐｎ接合に２０Ｖの逆方向バイアスが印加された場合に、キャップ層側から光吸収層の厚さの５０％の位置を超える。
　この光検出素子では、ｐｎ接合に逆方向バイアスが印加されていないと、空乏層が光吸収層に達していないため、検出対象の光の入射によって、光吸収層においてキャリア（電子及び正孔）が発生したとしても、ｐｎ接合に電流が流れない。つまり、ｐｎ接合に例えば逆方向バイアスを印加しないことで、光検出素子から外部に検出信号を出力させないことができる。その一方で、ｐｎ接合に２０Ｖの逆方向バイアスが印加されると、空乏層がキャップ層側から光吸収層の厚さの５０％の位置を超えるため、検出対象の光の入射によって、光吸収層のうち空乏層が拡がった領域においてキャリアが発生すると、ｐｎ接合に電流が流れる。つまり、ｐｎ接合に例えば２０Ｖの逆方向バイアスを印加することで、光検出素子から外部に検出信号を出力させることができる。ここで、２０Ｖという電位差は、例えば、ＣＭＯＳ等の後段の回路の設計に影響を与え難い電位差であって、且つ数十ｎ秒オーダーという高速での変調が可能な電位差である。よって、この光検出素子によれば、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる。
　本開示の一側面の光検出素子では、空乏層は、ｐｎ接合に２０Ｖの逆方向バイアスが印加された場合に、キャップ層側から光吸収層の厚さの８０％の位置を超えてもよい。これによれば、感度及び応答性の向上を図ることができる。特に半導体基板側から光を入射させる構成に有効である。
　本開示の一側面の光検出素子は、光吸収層とキャップ層との間に形成された第１導電型の緩和層を更に備えてもよい。これによれば、光吸収層のうち空乏層が拡がった領域において発生したキャリアをスムーズに移動させることができる。
　本開示の一側面の光検出素子では、光吸収層とキャップ層とは、互いに接触していてもよい。これによれば、空乏層がキャップ層側から光吸収層の厚さの少なくとも５０％の位置を超えるための逆方向バイアスをより小さくすることができる。
　本開示の一側面の光検出素子では、半導体領域は、キャップ層内に複数形成されており、半導体基板の厚さ方向から見た場合に１次元又は２次元に配列されていてもよい。これによれば、光検出素子を距離画像の取得に利用することができる。
　本開示の一側面の光検出素子では、半導体領域は、キャップ層内に複数形成されており、半導体基板の厚さ方向から見た場合に１次元に配列されており、半導体基板の厚さ方向及び半導体領域の配列方向の両方向に垂直な幅方向において、キャップ層の幅は、半導体基板の幅よりも小さくてもよい。これによれば、ｐｎ接合領域の周囲の領域で発生したキャリアがノイズとなるのを抑制することができる。
　本開示の一側面の光検出素子では、幅方向において、光吸収層の幅は、半導体基板の幅よりも小さくてもよい。これによれば、ｐｎ接合領域の周囲の領域で発生したキャリアがノイズとなるのをより確実に抑制することができる。
　本開示の一側面の光検出素子では、第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型であってもよい。これによれば、光検出素子の製造の容易性を確保することができる。
　本開示の一側面の光検出装置は、上述した光検出素子と、ｐｎ接合にパルス電圧信号を印加し、光検出素子から出力された検出信号を取得する信号処理部と、を備え、パルス電圧信号は、光吸収層に空乏層が達しない第１電圧、及び光吸収層に空乏層が達する第２電圧が交互に繰り返される電圧信号である。
　この光検出装置によれば、光検出素子にパルス電圧信号が印加されている状態において、例えば、光検出素子が感度を有するパルス光を対象物に照射して、対象物で反射されたパルス光を光検出素子に入射させることで、対象物までの距離に関する情報を取得することができる。
　本開示の一側面の光検出装置では、第２電圧は、キャップ層側から光吸収層の厚さの１００％の位置に空乏層が達する電圧であってもよい。これによれば、感度及び応答性の向上を図ることができる。特に半導体基板側から光を入射させる構成に有効である。
　本開示の一側面の光検出装置では、第２電圧は、２０Ｖ以下の電圧であってもよい。これによれば、感度及び応答性の向上をより確実に図ることができる。
　本開示の一側面の光検出装置では、第２電圧は、１０Ｖ以下の電圧であってもよい。これによれば、感度及び応答性の向上をより確実に図ることができる。
　本開示の一側面の光検出装置では、第２電圧は、５Ｖ以下の電圧であってもよい。これによれば、感度及び応答性の向上をより確実に図ることができる。
　本開示の一側面の光検出装置は、光検出素子が感度を有するパルス光を出力する光源を更に備えてもよい。これによれば、上述したように対象物までの距離に関する情報を取得することができる。
　本開示の一側面の光検出装置では、光源は、１０ＫＨｚ以上の周波数でパルス光を出力してもよい。これによれば、対象物までの距離に関する情報を適切に取得することができる。
　本開示によれば、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる光検出素子及び光検出装置を提供することが可能となる。
図１は、一実施形態の光検出装置の構成図である。 図２は、図１に示される光検出ユニットの構成図である。 図３は、図２に示される光検出素子の一部分の断面図である。 図４は、図２に示される光検出素子の一部分の断面図である。 図５は、対象物までの距離に関する情報を取得するためのタイミングチャートである。 図６は、変形例の光検出素子の一部分の断面図である。 図７は、変形例の光検出素子の他の断面図である。 図８は、変形例の光検出素子の一部分の断面図である。 図９は、変形例の光検出素子の他の断面図である。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１に示されるように、光検出装置１は、光検出ユニット２と、光源３と、制御部４と、表示部５と、を備えている。光検出装置１は、間接ＴＯＦ方式を利用して対象物ＯＪの距離画像（対象物ＯＪまでの距離ｄに関する情報を含む画像）を取得する装置である。
　図２に示されるように、光検出ユニット２は、信号処理回路（信号処理部）６と、光検出素子１０Ａと、を有している。信号処理回路６は、電圧信号生成回路６１と、ＣＭＯＳ読出し回路６２と、垂直走査回路６３と、列回路６４と、水平走査回路６５と、アンプ６６と、タイミング発生回路６７と、を含んでいる。本実施形態では、光検出素子１０Ａは、裏面入射型のＩｎＧａＡｓエリアセンサであり、ＣＭＯＳ読出し回路６２上にバンプ接続されている。
　電圧信号生成回路６１は、パルス電圧信号を生成して光検出素子１０Ａに印加する。ＣＭＯＳ読出し回路６２は、複数のチャージアンプ等によって構成されており、光検出素子１０Ａの各画素から検出信号が出力されると、各チャージアンプにおいて信号電流を積分する。
　垂直走査回路６３は、ＣＭＯＳ読出し回路６２の複数のチャージアンプを行ごとに順次選択する。列回路６４は、選択された行の各チャージアップにおいて積分された信号電圧をリセット電圧と共にサンプルホールドする。水平走査回路６５は、列回路６４においてサンプルホールドされた信号電圧及びリセット電圧の電圧差をアンプ６６に順次転送する。
　アンプ６６は、列回路６４から順次転送された信号電圧及びリセット電圧の電圧差を増幅し、増幅した電圧差を出力電圧信号として制御部４（図１参照）に出力する。タイミング発生回路６７は、電圧信号生成回路６１、垂直走査回路６３及び水平走査回路６５の動作タイミングを制御する。なお、アナログ出力の場合には、アンプ６６が設けられるが、デジタル出力の場合には、アンプ６６の替わりにＡＤ変換器が設けられる。
　図３に示されるように、光検出素子１０Ａは、ｎ型（第１導電型）の半導体基板１１と、ｎ型の光吸収層１２と、ｎ型の緩和層１３と、ｎ型のキャップ層１４と、複数のｐ型（第２導電型）の半導体領域１５と、を備えている。光吸収層１２は、例えばエピタキシャル成長によって、半導体基板１１上に形成されている。緩和層１３は、例えばエピタキシャル成長によって、光吸収層１２上に形成されている。キャップ層１４は、例えばエピタキシャル成長によって、緩和層１３上に形成されている。
　緩和層１３は、複数の層１３ａ，１３ｂ，１３ｃによって構成されており、光吸収層１２とキャップ層１４との間に形成されている。各層１３ａ，１３ｂ，１３ｃのバンドギャップは、光吸収層１２のバンドギャップとキャップ層１４のバンドギャップとの差を緩和するように設定されている。光吸収層１２のバンドギャップとキャップ層１４のバンドギャップとの差を緩和することができれば、緩和層１３は、１つ層によって構成されていてもよい。このように緩和層１３を設けることで、キャップ層１４を光吸収層１２上に直接形成する場合に比べ、キャップ層１４を形成し易くなる。
　複数の半導体領域１５は、例えば、熱拡散、イオン注入等によって、キャップ層１４内に形成されている。複数の半導体領域１５は、半導体基板１１の厚さ方向から見た場合に２次元に（例えば、マトリックス状に）配列されている。各半導体領域１５は、キャップ層１４における半導体基板１１とは反対側の表面に沿って形成されており、キャップ層１４における半導体基板１１側の表面から離間している。各半導体領域１５は、キャップ層１４とｐｎ接合をなしており、各画素Ｐを構成している。各半導体領域１５の周囲には、空乏層Ｄ１が形成されている。なお、半導体領域１５は、例えば、１×１０１７ｃｍ－３以上の不純物濃度を有する不純物領域である。
　本実施形態では、半導体基板１１は、０．５～５×１０１８ｃｍ－３（例えば１×１０１８ｃｍ－３程度）のキャリア濃度を有するｎ＋－ＩｎＰ基板であり、その厚さは、１５０～３００μｍ（例えば２００μｍ程度）である。光吸収層１２は、３～１０×１０１４ｃｍ－３（例えば５×１０１４ｃｍ－３程度）のキャリア濃度を有するｎ－－ＩｎＧａＡｓ層であり、その厚さは、１～５μｍ（例えば２μｍ程度）である。緩和層１３は、０．３～５×１０１５ｃｍ－３（例えば１×１０１５ｃｍ－３程度）のキャリア濃度を有するｎ－－ＩｎＧａＡｓＰ層であり、その厚さは、０．１～０．６μｍ（例えば０．２μｍ程度）である。キャップ層１４は、０．３～５×１０１５ｃｍ－３（例えば１×１０１５ｃｍ－３程度）のキャリア濃度を有するｎ－－ＩｎＰ層であり、その厚さは、１～２μｍ（例えば１．５μｍ程度）である。各半導体領域１５は、０．１～１０×１０１８ｃｍ－３（例えば１×１０１８ｃｍ－３程度）のキャリア濃度を有するｐ＋領域であり、その厚さは、０．１～１μｍ（例えば０．５μｍ程度）である。
　光検出素子１０Ａは、更に、複数の第１電極１６と、複数の第２電極１７と、を備えている。第１電極１６及び第２電極１７は、キャップ層１４における半導体基板１１とは反対側の表面に形成された絶縁膜１８上に形成されている。第１電極１６及び第２電極１７は、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕ、それらの合金等によって形成されている。絶縁膜１８は、例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜等である。
　各第１電極１６は、光吸収層１２、緩和層１３、キャップ層１４及び絶縁膜１８に形成された溝（又は貫通孔）内に延在しており、光吸収層１２、緩和層１３及びキャップ層１４に電気的にコンタクトしている。当該溝（又は貫通孔）は、空乏層Ｄ１に影響しないように形成されている。各第２電極１７は、絶縁膜１８に形成された開口（又は貫通孔）内に延在しており、各半導体領域１５に電気的にコンタクトしている。第１電極１６は、共通電極として機能するため、複数の画素Ｐに対して少なくとも１つ設けられればよい。第２電極１７は、個別電極として機能するため、１つの画素Ｐに対して１つ設けられる必要がある。なお、各第１電極１６が延在する溝（又は貫通孔）は、空乏層Ｄ１に影響しないように形成されていれば、半導体基板１１、光吸収層１２、緩和層１３及びキャップ層１４のいずれに至っていてもよい。
　光吸収層１２、緩和層１３及びキャップ層１４には、画素分離部２０が設けられている。画素分離部２０は、隣り合う画素Ｐ間を通るように（すなわち、隣り合う半導体領域１５間を通るように）延在している。複数の半導体領域１０ａがマトリックス状に配列されている場合には、画素分離部２０は格子状に延在することになる。
　画素分離部２０は、光吸収層１２、緩和層１３及びキャップ層１４に形成された溝２１の内面に沿ってｐ型の半導体領域２２が形成されることで、構成されている。半導体領域２２の周囲には、空乏層Ｄ２が形成されている。画素分離部２０（すなわち、溝２１及び半導体領域２２）は、光検出素子１０Ａの側面に達しており、半導体領域２２は、当該側面において短絡されている。なお、溝２１の内面は、絶縁膜１８によって覆われている。
　各画素Ｐにおいて、半導体領域１５の周囲に形成される空乏層Ｄ１は、第１電極１６と第２電極１７との間に逆方向バイアスが印加されていない場合には（無バイアス状態では）、光吸収層１２に達していない。その一方で、空乏層Ｄ１は、第１電極１６と第２電極１７との間に２０Ｖの逆方向バイアスが印加された場合には、図４に示されるように、キャップ層１４側から光吸収層１２の厚さの８０％の位置（光吸収層１２におけるキャップ層１４側の表面を基準として、当該表面から光吸収層１２の厚さの８０％の位置）を超える。なお、「第１電極１６と第２電極１７との間に逆方向バイアスが印加される・印加されない」とは、「半導体領域１５がキャップ層１４となすｐｎ接合に逆方向バイアスが印加される・印加されない」と同義である（以下、同じ）。
　本実施形態では、第１電極１６がｎ型側の電極であり、第２電極１７がｐ型側の電極であるため、第１電極１６の電位を基準として第２電極１７の電位が－２０Ｖとなるように、第１電極１６と第２電極１７との間に逆方向バイアスが印加される。また、本実施形態では、図３に示されるように、無バイアス状態において空乏層Ｄ１が緩和層１３の層１３ｃに達しているが、無バイアス状態において空乏層Ｄ１は、光吸収層１２に達していなければ緩和層１３の他の層１３ａ，１３ｂに達していてもよいし、或いは緩和層１３に達していなくてもよい（すなわち、キャップ層１４内に収まっていてもよい）。
　ここで、光検出素子１０Ａの各種パラメータの設定について説明する。無バイアス状態において空乏層Ｄ１が緩和層１３の層１３ｃに達している場合に、光吸収層１２に空乏層Ｄ１が達するのに必要な逆方向バイアスＶは、半導体領域１５が片側階段接合（one-sided　abrupt　junction）の状態にあると仮定すると、式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）において、Ｗ１は、空乏層Ｄ１と層１３ｃにおける光吸収層１２側の表面との間の距離、Ｗ２は層１３ｂの厚さ、Ｗ３は層１３ａの厚さである。εｒ１は層１３ｃの比誘電率、εｒ２は層１３ｂの比誘電率、εｒ３は層１３ａの比誘電率である。Ｎ１は層１３ｃのキャリア濃度、Ｎ２は層１３ｂのキャリア濃度、Ｎ３は層１３ａのキャリア濃度である。ｑは電荷、ε０は電気定数である。
　したがって、第１電極１６と第２電極１７との間に逆方向バイアスが印加されていない場合に、光吸収層１２に空乏層Ｄ１が達しない条件は、式（２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　また、無バイアス状態において空乏層Ｄ１が緩和層１３の層１３ｃに達している場合に、キャップ層１４側から光吸収層１２の厚さのＸ％の位置（光吸収層１２におけるキャップ層１４側の表面を基準として、当該表面から光吸収層１２の厚さのＸ％の位置）に空乏層Ｄ１が達するのに必要な逆方向バイアスＶは、半導体領域１５が片側階段接合の状態にあると仮定すると、式（３）で表される。式（３）において、Ｗａｂは、光吸収層１２の厚さ、εｒａｂは光吸収層１２の比誘電率、Ｎａｂは光吸収層１２のキャリア濃度である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　したがって、第１電極１６と第２電極１７との間に２０Ｖの逆方向バイアスが印加された場合に、キャップ層１４側から光吸収層１２の厚さの８０％の位置を空乏層Ｄ１が超える条件は、式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　本実施形態では、式（２）及び式（４）を満たすように、光検出素子１０Ａの各種パラメータが設定されている。特に、本実施形態では、第１電極１６と第２電極１７との間に５Ｖの逆方向バイアスが印加された場合に、キャップ層１４側から光吸収層１２の厚さの１００％の位置に空乏層Ｄ１が達する。つまり、本実施形態では、式（５）を満たすように、光検出素子１０Ａの各種パラメータが設定されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　なお、無バイアス状態において空乏層Ｄ１が緩和層１３に達していない（すなわち、キャップ層１４内に収まっている）場合には、式（１）～式（５）の右辺にキャップ層１４の項を加えればよい。その場合において、緩和層１３が存在しないときには、式（１）～式（５）の右辺から緩和層１３に関する項を減ずればよい。このように、光検出素子１０Ａの層構造等に応じて、式（１）～式（５）の右辺において、各層に対応する項を加減すればよい。
　図１に示されるように、光源３は、光検出素子１０Ａが感度を有する（すなわち、光検出素子１０Ａにおいて光電変換が発生し得る）パルス光Ｌを１０ＫＨｚ以上の周波数で出力する。本実施形態では、光源３は、例えば赤外ＬＥＤ等であり、１．５μｍ程度の波長を有するパルス光Ｌを出力する。光源３から出力されたパルス光Ｌは対象物ＯＪに照射され、対象物ＯＪで反射されたパルス光Ｌは光検出素子１０Ａに入射する。制御部４は、光検出ユニット２及び光源３を制御し、光検出ユニット２から出力された出力電圧信号に基づいて対象物ＯＪの距離画像を生成して、表示部５に表示させる。
　以上説明したように、光検出素子１０Ａでは、第１電極１６と第２電極１７との間に逆方向バイアスが印加されていないと、空乏層Ｄ１が光吸収層１２に達していないため、パルス光Ｌの入射によって、光吸収層１２においてキャリア（電子及び正孔）が発生したとしても、第１電極１６と第２電極１７との間に電流が流れない。つまり、第１電極１６と第２電極１７との間に例えば逆方向バイアスを印加しないことで、光検出素子１０Ａから信号処理回路６に検出信号を出力させないことができる。その一方で、第１電極１６と第２電極１７との間に２０Ｖの逆方向バイアスが印加されると、空乏層Ｄ１がキャップ層１４側から光吸収層１２の厚さの８０％の位置を超えるため、パルス光Ｌの入射によって、光吸収層１２のうち空乏層Ｄ１が拡がった領域においてキャリアが発生すると、第１電極１６と第２電極１７との間に電流が流れる。つまり、第１電極１６と第２電極１７との間に例えば２０Ｖの逆方向バイアスを印加することで、光検出素子１０Ａから信号処理回路６に検出信号を出力させることができる。ここで、２０Ｖという電位差は、後段の信号処理回路６の設計に影響を与え難い電位差であって、且つ数十ｎ秒オーダーという高速での変調が可能な電位差である。よって、光検出素子１０Ａによれば、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる。
　特に、光検出素子１０Ａでは、第１電極１６と第２電極１７との間に５Ｖの逆方向バイアスが印加されると、空乏層Ｄ１がキャップ層１４側から光吸収層１２の厚さの１００％の位置に達する。光検出素子１０Ａは、半導体基板１１側から光を入射させる裏面入射型のエリアセンサであるため、５Ｖの逆方向バイアスの印加によって空乏層Ｄ１が光吸収層１２における光入射側の表面に達することは、感度及び応答性の向上を図る上で有効である。
　なお、アバランシェフォトダイオードも逆方向バイアスの印加によって光を検出する素子であるが、逆方向バイアスとして例えば５０Ｖもの電位差を必要とする点で、光検出素子１０Ａとは根本的に相違する。アバランシェフォトダイオードでは、増倍層が形成されたキャップ層に掛かる電界強度を上げ、光吸収層に掛かる電界強度を下げるために、光吸収層とキャップ層との間に電界抑制層が形成されている。それに対し、光検出素子１０Ａでは、キャップ層１４に掛かる電界強度を下げ、光吸収層１２に掛かる電界強度を上げるために、光吸収層１２とキャップ層１４との間に電界抑制層が形成されていない。なお、５０Ｖという電位差は、ＣＭＯＳ等の後段の回路の設計に影響を与え易い電位差であって、且つ数十ｎ秒オーダーという高速での変調が不可能な電位差である。
　また、光検出素子１０Ａでは、光吸収層１２とキャップ層１４との間にｎ型の緩和層１３が形成されている。これにより、光吸収層１２のうち空乏層Ｄ１が拡がった領域において発生したキャリアをスムーズに移動させることができる。
　また、光検出素子１０Ａでは、半導体基板１１の厚さ方向から見た場合に、複数の半導体領域１５がキャップ層１４内において２次元に配列されている。これにより、対象物ＯＪの距離画像を取得することができる。
　また、光検出素子１０Ａでは、光吸収層１２、緩和層１３及びキャップ層１４に、画素分離部２０が設けられている。これにより、隣り合う画素Ｐ間におけるクロストークの発生を抑制することができる。また、無バイアス状態において光吸収層１２でキャリアが発生したとしても、当該キャリアは、半導体領域２２の周囲に形成された空乏層Ｄ２によって捕捉される。したがって、無バイアス状態から逆方向バイアス印加状態に切り替えられた際に、無バイアス状態において光吸収層１２で発生したキャリアがノイズとなるのを抑制することができる。
　また、光検出素子１０Ａでは、光吸収層１２、緩和層１３及びキャップ層１４のそれぞれのキャリア濃度が１×１０１６ｃｍ－３以下とされている。これにより、２０Ｖ以下の電位差の逆方向バイアスの印加によって空乏層Ｄ１を光吸収層１２にスムーズに拡げさせることができる。
　また、光検出装置１は、光検出素子１０Ａと、第１電極１６と第２電極１７との間にパルス電圧信号を印加し、光検出素子１０Ａから出力された検出信号を取得する信号処理回路６と、光検出素子１０Ａが感度を有するパルス光Ｌを１０ＫＨｚ以上の周波数で出力する光源３と、を備えている。これにより、次に述べる演算例のように、対象物ＯＪまでの距離ｄに関する情報を適切に取得することができる。
　対象物ＯＪまでの距離ｄの演算例について、図５を参照して説明する。図５には、光源３から出力されるパルス光Ｌの強度信号ＩＯＵＴ、対象物ＯＪで反射されて光検出素子１０Ａに入射するパルス光Ｌの強度信号ＩＩＮ、第１段階で光検出素子１０Ａ（具体的には、第１電極１６と第２電極１７との間）に印加されるパルス電圧信号Ｖ１ＩＮ、第２段階で光検出素子１０Ａに印加されるパルス電圧信号Ｖ２ＩＮ、及び第３段階で光検出素子１０Ａに印加されるパルス電圧信号Ｖ３ＩＮが示されている。なお、この演算例では、任意の１つの画素Ｐに着目している。
　第１段階では、強度信号ＩＯＵＴで光源３からパルス光Ｌが出力され且つ光検出素子１０Ａにパルス電圧信号Ｖ１ＩＮが印加された状態で、出力電圧信号Ｖ１ＯＵＴが取得される。強度信号ＩＯＵＴのパルス幅Ｔは、例えば、３０ｎ秒（測定可能距離：～４．５ｍ）、４０ｎ秒（測定可能距離：～６．０ｍ）、６０ｎ秒（測定可能距離：～９．０ｍ）というように、測定すべき距離に応じて設定される。パルス電圧信号Ｖ１ＩＮは、光吸収層１２に空乏層Ｄ１が達しない第１電圧ＶＬ、及び光吸収層１２に空乏層Ｄ１が達する第２電圧ＶＨが交互に繰り返される電圧信号であって、強度信号ＩＯＵＴと周期、パルス幅及び位相が同一の電圧信号である。第１電圧ＶＬは、本実施形態では０Ｖである。第２電圧ＶＨは、キャップ層１４側から光吸収層１２の厚さの１００％の位置に空乏層Ｄ１が達する電圧であって、本実施形態では５Ｖである。このとき、光検出素子１０Ａは、第２電圧ＶＨが印加された期間のみに検出信号を出力するので、出力電圧信号Ｖ１ＯＵＴは、強度信号ＩＩＮのパルスとパルス電圧信号Ｖ１ＩＮのパルスとが重なり合った部分の電荷量Ｑ１の積分値に対応する。
　第２段階では、強度信号ＩＯＵＴで光源３からパルス光Ｌが出力され且つ光検出素子１０Ａにパルス電圧信号Ｖ２ＩＮが印加された状態で、出力電圧信号Ｖ２ＯＵＴが取得される。パルス電圧信号Ｖ２ＩＮは、位相が１８０°ずれている点を除き、パルス電圧信号Ｖ１ＩＮと同一の電圧信号である。このとき、光検出素子１０Ａは、第２電圧ＶＨが印加された期間のみに検出信号を出力するので、出力電圧信号Ｖ２ＯＵＴは、強度信号ＩＩＮのパルスとパルス電圧信号Ｖ２ＩＮのパルスとが重なり合った部分の電荷量Ｑ２の積分値に対応する。
　第３段階では、光源３からパルス光Ｌが出力されず且つ光検出素子１０Ａにパルス電圧信号Ｖ３ＩＮが印加された状態で、出力電圧信号Ｖ３ＯＵＴが取得される。このとき、光検出素子１０Ａは、第２電圧ＶＨが印加された期間のみに検出信号を出力するので、出力電圧信号Ｖ３ＯＵＴは、外乱光があればその外乱光の強度信号とパルス電圧信号Ｖ３ＩＮのパルスとが重なり合った部分の電荷量の積分値に対応する。
　以上の第１段階、第２段階及び第３段階が画素Ｐごとに実施されると、制御部４は、画素Ｐごとに、出力電圧信号Ｖ１ＯＵＴ，Ｖ２ＯＵＴ，Ｖ３ＯＵＴに基づいて、対象物ＯＪまでの距離ｄを演算する。距離ｄは、式（６）で表される。式（６）において、ｃは光速である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　以上のように、光検出装置１では、光検出素子１０Ａを数十ｎ秒オーダーでスイッチング動作（変調動作）させることができる。また、光検出装置１では、各出力電圧信号Ｖ１ＯＵＴ，Ｖ２ＯＵＴの第２電圧ＶＨが、キャップ層１４側から光吸収層１２の厚さの１００％の位置に空乏層Ｄ１が達する電圧である。これにより、光吸収層１２のうち空乏層Ｄ１が拡がっていない領域において発生したキャリアが遅延成分として検出されるのを抑制することができ、延いては、距離ｄの演算精度が劣化するのを抑制することができる。また、光検出装置１では、光源３が、１．５μｍ程度の波長を有するパルス光Ｌを出射する光源であり、光検出素子１０が、１．５μｍ程度の波長を有するパルス光Ｌに対して十分な感度を有するＩｎＧａＡｓエリアセンサである。これにより、例えば霧中又は煙中においても対象物ＯＪの距離画像を取得し易くなる。なお、上述した演算例は、あくまで一例であって、対象物ＯＪまでの距離ｄに関する情報は、公知の種々の演算によって取得可能である。また、第２電圧ＶＨは、２０Ｖ以下の電圧（好ましくは１０Ｖ以下の電圧、より好ましくは５Ｖ以下の電圧）であってもよい。その場合、光検出装置１において、感度及び応答性の向上をより確実に図ることができる。
　本開示は、上述した実施形態に限定されない。例えば、光検出素子１０Ａは、複数の半導体領域１５がキャップ層１４内において１次元に配列されたリニアセンサとして構成されてもよい。図６及び図７には、裏面入射型のＩｎＧａＡｓリニアセンサとして構成された光検出素子１０Ｂが示されている。なお、図６は、複数の半導体領域１５の配列方向（以下、単に「配列方向」という）に平行な面に沿った光検出素子１０Ｂの一部分の断面図であり、図７は、配列方向に垂直な面に沿った光検出素子１０Ｂの断面図である。
　光検出素子１０Ｂは、光吸収層１２とキャップ層１４との間にｎ型の緩和層１３が形成されていない点、及びｐ型の半導体領域２３が形成されている点で、上述した光検出素子１０Ａと主に相違している。光検出素子１０Ｂでは、図７に示されるように、半導体基板１１の厚さ方向、及び配列方向の両方向に垂直な幅方向（以下、単に「幅方向」という）において、キャップ層１４の幅は、半導体基板１１の幅よりも小さく、光吸収層１２の幅は、半導体基板１１の幅と同じである。半導体領域２３は、幅方向において互いに対向するキャップ層１４の側面、及び、光吸収層１２における半導体基板１１とは反対側の表面のうちキャップ層１４が形成されていない表面に沿って、形成されている。半導体領域２３は、絶縁膜１８によって覆われている。
　光検出素子１０Ｂでは、図８及び図９に示されるように、第１電極１６と第２電極１７との間に２０Ｖの逆方向バイアスが印加された場合のみに、空乏層Ｄ１がキャップ層１４側から光吸収層１２の厚さの８０％の位置を超える。よって、光検出素子１０Ｂによれば、上述した光検出素子１０Ａと同様に、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる。
　また、光検出素子１０Ｂでは、画素分離部２０の半導体領域２２の周囲に形成された空乏層Ｄ２だけでなく、半導体領域２３の周囲に形成された空乏層Ｄ３によっても、無バイアス状態において光吸収層１２で発生したキャリアが捕捉される。したがって、無バイアス状態から逆方向バイアス印加状態に切り替えられた際に、無バイアス状態において光吸収層１２で発生したキャリアがノイズとなるのを抑制することができる。
　また、光検出素子１０Ｂでは、幅方向において、キャップ層１４の幅が、半導体基板１１の幅よりも小さい。これにより、ｐｎ接合領域（画素Ｐの領域）の周囲の領域で発生したキャリアがノイズとなるのを抑制することができる。なお、幅方向において、光吸収層１２の幅及びキャップ層１４の幅のそれぞれが、半導体基板１１の幅よりも小さくてもよい。その場合、ｐｎ接合領域の周囲の領域で発生したキャリアがノイズとなるのをより確実に抑制することができる。
　また、図３に示される光検出素子１０Ａでは、光吸収層１２とキャップ層１４との間にｎ型の緩和層１３が形成されていなくてもよい。逆に、図６及び図７に示される光検出素子１０Ｂでは、光吸収層１２とキャップ層１４との間にｎ型の緩和層１３が形成されていてもよい。緩和層１３が形成されず、光吸収層１２とキャップ層１４とが互いに接触していると、空乏層Ｄ１がキャップ層１４側から光吸収層１２の厚さの少なくとも５０％の位置を超えるための逆方向バイアスをより小さくすることができる。なお、図６及び図７に示される光検出素子１０Ｂにおいて、光吸収層１２とキャップ層１４との間に緩和層１３が形成される場合には、幅方向において、緩和層１３の幅及びキャップ層１４の幅のそれぞれが、半導体基板１１の幅よりも小さくてもよいし、或いは、幅方向において、光吸収層１２の幅、緩和層１３の幅及びキャップ層１４の幅のそれぞれが、半導体基板１１の幅よりも小さくてもよい。それらの場合、ｐｎ接合領域の周囲の領域で発生したキャリアがノイズとなるのをより確実に抑制することができる。
　また、図３に示される光検出素子１０Ａでは、画素分離部２０が設けられていなくてもよい。同様に、図６及び図７に示される光検出素子１０Ｂでは、画素分離部２０が設けられていなくてもよい。また、図６及び図７に示される光検出素子１０Ｂでは、半導体領域２３が形成されていなくてもよい。
　また、上述した光検出素子１０Ａ，１０Ｂのいずれにおいても、空乏層Ｄ１は、第１電極１６と第２電極１７との間に２０Ｖの逆方向バイアスが印加された場合に、キャップ層１４側から光吸収層１２の厚さの５０％の位置（光吸収層１２におけるキャップ層１４側の表面を基準として、当該表面から光吸収層１２の厚さの５０％の位置）を超えればよい。２０Ｖの逆方向バイアスの印加によって、キャップ層１４側から光吸収層１２の厚さの５０％～１００％の範囲でどの位置まで空乏層Ｄ１を拡げさせるかは、検出対象の光の波長、検出対象の光の入射方向等に応じて決定される。
　また、上述した光検出素子１０Ａ，１０Ｂのいずれも、表面入射型として構成されてもよい。その場合、第１電極１６は、例えば、半導体基板１１における光吸収層１２とは反対側の表面に形成される。また、第２電極１７には、例えば、検出対象の光を光吸収層１２に入射させるための開口が形成される。各光検出素子１０Ａ，１０Ｂが表面入射型として構成された場合には、光吸収層１２よりも光入射側に設けられた層のバンドギャップは、当該層での光吸収を抑制する観点から、光吸収層１２のバンドギャップよりもが大きいことが好ましい。なお、各光検出素子１０Ａ，１０Ｂが裏面入射型として構成された場合にも、光吸収層１２よりも光入射側に設けられた層のバンドギャップは、暗電流を抑制する観点から、光吸収層１２のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。
　また、上述した光検出素子１０Ａ，１０Ｂのいずれにおいても、ｐ型及びｎ型の各導電型は、上述したものに対して逆であってもよい。その場合、第１電極１６がｐ型側の電極となり、第２電極１７がｎ型側の電極となるため、第１電極１６の電位を基準として第２電極１７の電位が正の電位となるように、第１電極１６と第２電極１７との間に逆方向バイアスが印加される。なお、上述したように、半導体基板１１、光吸収層１２、緩和層１３及びキャップ層１４がｎ型であり、半導体領域１５がｐ型であると、光検出素子１０Ａ，１０Ｂの製造の容易性を確保することができる。
　また、上述した光検出素子１０Ａ，１０Ｂのいずれにおいても、製造時に半導体領域１５がキャップ層１４内に確実に収まるように、光吸収層１２とキャップ層１４との間又はキャップ層１４内に、組成の異なる層が形成されてもよい。また、上述した光検出素子１０Ａ，１０Ｂのいずれにおいても、無バイアス状態であるにもかかわらず製造時のばらつき等に起因して光吸収層１２に空乏層Ｄ１が達することがないように、光吸収層１２とキャップ層１４との間に、キャリア濃度が大きい極薄の層が形成されてもよい。また、上述した光検出素子１０Ａ，１０Ｂのいずれにおいても、電極とのコンタクト抵抗を下げるためのコンタクト層がキャップ層１４上に形成されてもよい。
　また、上述した光検出素子１０Ａ，１０Ｂのいずれも、１つの半導体領域１５がキャップ層１４内に形成された単素子として構成されてもよい。その場合にも、高速での検出信号の出力制御を簡易な構成で実現することができる。また、その場合にも、光検出装置１として構成することで、対象物ＯＪまでの距離ｄに関する情報を取得することができる。
　また、上述した光検出素子１０Ａ，１０Ｂの各構成には、上述した材料及び形状に限定されず、様々な材料及び形状を適用することができる。例えば、上述した光検出素子１０Ａ，１０Ｂの材料は、化合物半導体に限定されず、有機半導体、アモルファス材料等であってもよい。また、上述した一の実施形態又は変形例における各構成は、他の実施形態又は変形例における各構成に任意に適用することができる。
　また、光検出装置１は、光源３を備えていなくてもよい。その場合の光検出装置１としては、高速な物体・信号を検出するために必要なグローバルシャッタ動作(高速シャッタ動作)を有する赤外イメージセンサ等が例示される。
　１…光検出装置、３…光源、６…信号処理回路（信号処理部）、１０Ａ，１０Ｂ…光検出素子、１１…半導体基板、１２…光吸収層、１３…緩和層、１４…キャップ層、１５…半導体領域、１６…第１電極、１７…第２電極、Ｄ１…空乏層。

Claims (15)

  1. 　半導体基板と、
    　前記半導体基板上に形成された第１導電型の光吸収層と、
    　前記光吸収層上に形成された第１導電型のキャップ層と、
    　前記キャップ層内に形成され、前記キャップ層とｐｎ接合をなす第２導電型の半導体領域と、を備え、
    　前記半導体領域の周囲に形成される空乏層は、前記ｐｎ接合に逆方向バイアスが印加されていない場合に、前記光吸収層に達しておらず、前記ｐｎ接合に２０Ｖの逆方向バイアスが印加された場合に、前記キャップ層側から前記光吸収層の厚さの５０％の位置を超える、光検出素子。
  2. 　前記空乏層は、前記ｐｎ接合に２０Ｖの逆方向バイアスが印加された場合に、前記キャップ層側から前記光吸収層の厚さの８０％の位置を超える、請求項１に記載の光検出素子。
  3. 　前記光吸収層と前記キャップ層との間に形成された第１導電型の緩和層を更に備える、請求項１又は２に記載の光検出素子。
  4. 　前記光吸収層と前記キャップ層とは、互いに接触している、請求項１又は２に記載の光検出素子。
  5. 　前記半導体領域は、前記キャップ層内に複数形成されており、前記半導体基板の厚さ方向から見た場合に１次元又は２次元に配列されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の光検出素子。
  6. 　前記半導体領域は、前記キャップ層内に複数形成されており、前記半導体基板の厚さ方向から見た場合に１次元に配列されており、
    　前記半導体基板の厚さ方向及び前記半導体領域の配列方向の両方向に垂直な幅方向において、前記キャップ層の幅は、前記半導体基板の幅よりも小さい、請求項１～５のいずれか一項に記載の光検出素子。
  7. 　前記幅方向において、前記光吸収層の幅は、前記半導体基板の幅よりも小さい、請求項６に記載の光検出素子。
  8. 　前記第１導電型はｎ型であり、前記第２導電型はｐ型である、請求項１～７のいずれか一項に記載の光検出素子。
  9. 　請求項１～８のいずれか一項に記載の光検出素子と、
    　前記ｐｎ接合にパルス電圧信号を印加し、前記光検出素子から出力された検出信号を取得する信号処理部と、を備え、
    　前記パルス電圧信号は、前記光吸収層に前記空乏層が達しない第１電圧、及び前記光吸収層に前記空乏層が達する第２電圧が交互に繰り返される電圧信号である、光検出装置。
  10. 　前記第２電圧は、前記キャップ層側から前記光吸収層の厚さの１００％の位置に前記空乏層が達する電圧である、請求項９に記載の光検出装置。
  11. 　前記第２電圧は、２０Ｖ以下の電圧である、請求項９又は１０に記載の光検出装置。
  12. 　前記第２電圧は、１０Ｖ以下の電圧である、請求項９～１１のいずれか一項に記載の光検出装置。
  13. 　前記第２電圧は、５Ｖ以下の電圧である、請求項９～１２のいずれか一項に記載の光検出装置。
  14. 　前記光検出素子が感度を有するパルス光を出力する光源を更に備える、請求項９～１３のいずれか一項に記載の光検出装置。
  15. 　前記光源は、１０ＫＨｚ以上の周波数で前記パルス光を出力する、請求項１４に記載の光検出装置。
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