WO2020196083A1 - 光検出器 - Google Patents

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WO2020196083A1
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apd
photodetector
semiconductor layer
resistor
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暁登 井上
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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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

  • This disclosure relates to a photodetector.
  • An avalanche photodiode (hereinafter, also referred to as APD) is used as one of the means for increasing the sensitivity.
  • APD is a photodiode in which the light detection sensitivity is enhanced by multiplying the signal charge generated by the photoelectric conversion of the light incident on the photoelectric conversion layer by using the avalanche breakdown.
  • Patent Document 1 a photon counting type photodetector using APD (see, for example, Patent Document 1) and a high-sensitivity image sensor (see, for example, Patent Document 2) have been devised.
  • a reach-through type APD is disclosed as an example of the structure of the APD (see, for example, Patent Document 2 and Patent Document 3).
  • APD for example, multiplication factor and photon detection probability
  • the present disclosure provides a photodetector capable of reducing the temperature dependence of APD characteristics.
  • the photodetector includes a first avalanche photodiode having sensitivity to incident light and a second avalanche photodiode in which a constant current flows regardless of the incident light.
  • One terminal of the avalanche photodiode is electrically connected to one terminal of the second avalanche photodiode, and the other terminal of the first avalanche photodiode and the other terminal of the second avalanche photodiode are ,
  • the one terminal of the first avalanche photodiode and the one terminal of the second avalanche photodiode are both anodes or cathodes, which are connected to different power sources.
  • the photodetector according to one aspect of the present disclosure can reduce the temperature dependence of the characteristics of APD.
  • FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a photodetector according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a diagram showing a circuit for simulating the characteristics of APD.
  • FIG. 2B is a diagram showing a simulation result of a current flowing through a resistor in the circuit of FIG. 2A.
  • FIG. 3 is a plan view of the photodetector according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the photodetector in line IV-IV of FIG.
  • FIG. 5 is a plan view of a photodetector including a separation portion having a light-shielding property.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the photodetector on the VI-VI line of FIG. FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a photodetector having a structure in which the second conductive type semiconductor layer is shared.
  • FIG. 8 is a plan view of a photodetector including a process-formed resistor corresponding to a third resistor.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the photodetector in the IX-IX line of FIG.
  • FIG. 10 is a plan view of a photodetector including a vortex-shaped resistor corresponding to a third resistor.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the photodetector on the XI-XI line of FIG. FIG.
  • FIG. 12 is a diagram showing a circuit configuration of a photodetector including a plurality of first APDs arranged in an array.
  • FIG. 13 is a plan view of a photodetector including a plurality of first APDs arranged in an array.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the photodetector in line XIV-XIV of FIG.
  • FIG. 15 is a diagram showing a circuit configuration of a photodetector including a plurality of first APDs arranged in an array, each connected to a different power source.
  • FIG. 16 is a plan view of a photodetector comprising a plurality of first APDs arranged in an array, each connected to a different power source.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the photodetector in line XVII-XVII of FIG.
  • FIG. 18 is a diagram showing the potential of the first APD in the photodetector arranged in an array.
  • FIG. 19 is a diagram showing a circuit configuration of the photodetector according to the second embodiment.
  • FIG. 20 is a plan view of the photodetector according to the second embodiment.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view of the photodetector in the XXI-XXI line of FIG.
  • FIG. 22 is a diagram showing a circuit configuration of a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 23 is a plan view of a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 23 is a plan view of a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of the photodetector in line XXIV-XXIV of FIG.
  • FIG. 25 is a diagram showing a modified example of the shape of the light-shielding plate.
  • FIG. 26 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the pixel circuit.
  • FIG. 27 is a plan view showing an example of the arrangement of the reset transistor, the source follower transistor, and the selection transistor.
  • FIG. 28 is a diagram showing a driving example of the pixel circuit of FIG. 26.
  • FIG. 29 is a diagram showing another example of the circuit configuration of the pixel circuit.
  • FIG. 30 is a plan view of a photodetector including a plurality of second APDs arranged in an array.
  • FIG. 31 is a plan view of a photodetector in which only the APD located at the center of the plurality of APDs arranged in an array is used as the second APD.
  • FIG. 32 is a plan view showing an arrangement example 1 of the first APD and the second APD in the image sensor.
  • FIG. 33 is a plan view showing an arrangement example 2 of the first APD and the second APD in the image sensor.
  • FIG. 34 is a plan view showing an arrangement example 3 of the first APD and the second APD in the image sensor.
  • FIG. 35 is an example of a cross-sectional view of a back-illuminated photodetector.
  • FIG. 36 is an example of a cross-sectional view of a wafer-bonded photodetector.
  • FIG. 37A is a first cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 37B is a second cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 37C is a third cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 37D is a fourth cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 37E is a fifth cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 37F is a sixth cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 37G is a seventh cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 37H is an eighth cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 37I is a ninth cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 37J is a tenth cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 37G is a seventh cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 37H is an eighth cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodete
  • FIG. 37K is an eleventh cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 37L is a twelfth sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • FIG. 37M is a thirteenth cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a photodetector including a P-channel type transistor.
  • each figure is a schematic view and is not necessarily exactly illustrated. Therefore, the scales and the like do not always match in each figure.
  • substantially the same configuration is designated by the same reference numerals, and duplicate description may be omitted or simplified.
  • substantially the same means not only completely the same, but also substantially the same, and may include, for example, a difference of about several percent.
  • the terms “upper” and “lower” do not refer to the upward direction (vertically upward) and the downward direction (vertically downward) in absolute spatial recognition, but are relative to the laminated structure. It is used as a term that defines the positional relationship.
  • the front surface side of the semiconductor substrate is “upper” and the back surface side is “lower”.
  • the terms “upper” and “lower” are used not only when the two components are spaced apart from each other and another component exists between the two components, but also when the two components It also applies when the two components are placed in close contact with each other and touch each other.
  • planar view means that the semiconductor substrate is viewed from the normal direction of the main surface (for example, the back surface).
  • the present disclosure does not exclude a structure in which the P-type and the N-type are reversed in the following embodiments.
  • FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a photodetector according to the first embodiment.
  • the photodetector 100 includes a first avalanche photodiode 10 (hereinafter, also referred to as a first APD 10) and a second avalanche photodiode 20 (hereinafter, also referred to as a second APD 20). It includes a first resistor r1, a third resistor r3, and a second resistor r2.
  • the resistance value of the first resistor r1 is described as R1
  • the resistance value of the second resistor r2 is described as R2
  • the resistance value of the third resistor r3 is described as R3.
  • the arrows in FIG. 1 indicate the direction in which a current having a negative polarity flows.
  • the first APD 10 is an avalanche photodiode having sensitivity to light incident on the photodetector 100. That is, a current corresponding to the incident light flows through the first APD 10.
  • a first reverse bias is applied between the cathode and the anode of the first APD 10. In FIG. 1, the first reverse bias is V sub- V dd .
  • the third resistor r3 connected in series with the first APD 10 transiently stops the multiplication in the first APD 10 by functioning as a quenching element. That is, the first APD 10 operates in the same manner as a general APD.
  • the second APD 20 is an avalanche photodiode that does not have sensitivity to the light incident on the photodetector 100. That is, a substantially constant current flows through the second APD 20 regardless of the incident light. In other words, the second APD 20 carries a current having a smaller fluctuation width of the current value than the first APD 10. It is desirable that the second APD 20 has substantially the same breakdown voltage as the first APD 10. Further, it is desirable that the temperature dependence of the breakdown voltage is substantially the same as that of the first APD10.
  • the anode of the first APD10 and the anode of the second APD20 are electrically connected via a resistor that is almost negligible.
  • the connection point between the anode of the first APD10 and the anode of the second APD20 is described as node N.
  • the anodes of the first APD10 and the second APD20 are electrically connected to each other, but the cathodes may be electrically connected to each other.
  • Nodes N via a first resistor r1 is connected to a power supply V sub
  • the cathode of the 1APD10 is connected to the power supply V dd via a third resistor r3
  • cathode of the 2APD20 via a second resistor r2 It is connected to the power supply V 0.
  • V dd , V 0 , and V sub are V sub- V dd ⁇ V BD1 and V. It is set so that both sub- V 0 ⁇ V BD2 are satisfied.
  • the polarity of the voltage is positive for the forward bias, and V BD1 ⁇ 0 and V BD2 ⁇ 0.
  • the resistance value of the first resistor r1 is R1
  • the resistance value of the second resistor r2 is R2
  • the resistance value of the third resistor r3 is R3
  • the resistance value is set so as to be R3> R1> R2.
  • a second reverse bias having a smaller absolute value than the first reverse bias is applied between the cathode and the anode of the second APD 20.
  • the first reverse bias is V sub ⁇ V 0 .
  • the first resistor r1 and the second resistor r2 do not function as a quenching element, and a steady current is passed through the second APD 20.
  • the second APD 20 has a function of reducing the temperature dependence of the characteristics of the first APD 10.
  • the characteristics of an APD are determined by the overvoltage, which is the difference between the reverse bias applied to the APD and the breakdown voltage.
  • the breakdown voltage is temperature dependent. Therefore, in order to reduce the temperature dependence of the characteristics of the APD, it is necessary to change the reverse bias applied to the APD according to the temperature to reduce the change in the overvoltage.
  • the photodetector 100 can reduce the temperature change of the characteristics of the first APD 10 by reducing the temperature dependence of the overvoltage of the first APD 10 by the second APD 20.
  • the characteristics of APD refer to, for example, multiplication factor, photon detection probability, and the like, but are not limited thereto.
  • the positive direction of the current is the direction of the forward bias from the anode to the cathode.
  • -V BD (T) is the breakdown voltage of the first APD10 and the second APD20.
  • the overvoltage Vov is defined as the difference between the reverse bias applied to the APD and the breakdown voltage
  • the overvoltage Vov1 of the first APD10 is expressed by the following equation.
  • the characteristics of APD generally depend on the overvoltage Vov .
  • the over-voltage V ov1 of the 1APD10 since the over-voltage V ov1 of the 1APD10 has no temperature dependence, the temperature dependence of the properties of the 1APD10 it is quite disappears on formulas. That is, the temperature dependence of the characteristics of the first APD10 is reduced.
  • the first APD10 and the second APD20 have the same breakdown voltage, but different breakdown voltages may be used.
  • the overvoltage Vov1 of the first APD10 is expressed by the following equation. ..
  • the temperature changes of the breakdown voltage of the first APD 10 and the second APD 20 cancel each other out, and the temperature change of the breakdown voltage becomes small.
  • the temperature shift of the breakdown voltage difference (that is, V BD1 (T) -V BD2 (T)) may be smaller than the overvoltage V ov1 .
  • FIG. 2A is a diagram showing a circuit for simulating the characteristics of the APD, in which the value of the capacitance connected in parallel to the APD is C and the value of the resistor connected in series with the APD is R.
  • FIG. 2B is a diagram showing a simulation result of a current flowing through a resistor in the circuit of FIG. 2A.
  • the first resistor r1 and the second resistor r2 which are resistors connected in series with the second APD 20, do not cause quenching. As such, it needs to be set to a sufficiently small resistance value.
  • the resistance value R1 of the first resistor r1 and the resistance value R2 of the second resistor r2 need to be less than about 10 k ⁇ .
  • the resistance value R3 of the third resistor r3 connected in series with the first APD 10 needs to be 10 k ⁇ or more.
  • the threshold value of each resistance value is not limited to this value because it depends on the structure, capacitance, and bias condition of the APD.
  • Patent Document 4 the configuration for feeding back the bias voltage of the photodetector with respect to the temperature is also described in Patent Document 4 and Patent Document 5.
  • Patent Document 4 since the bias is determined using a transistor and a constant current source whose temperature dependence is known, the device and the system must be configured including the temperature characteristics of the transistor and the constant current source. Further, in Patent Document 5, the circuit configuration is complicated because the current or voltage flowing through the APD is monitored and the bias is changed by the feedback circuit.
  • the present invention since the present invention only uses an APD having the same characteristics as the photodetector, temperature feedback is possible with a simple configuration. Further, since the APD having the same characteristics is used, there is an advantage that it is not necessary to consider the deviation of the temperature characteristics.
  • the first resistor, the second resistor, and the third resistor are an external resistor, a diffusion resistor, a wiring resistor, a transistor resistor, and any combination thereof, and are not limited thereto.
  • an amplifier circuit that amplifies the output signal of the first APD 10 may be provided between the first APD 10 and the third resistor r3, or between the third resistor r3 and the power supply Vdd . This facilitates signal detection.
  • the absolute value of the first reverse bias is the absolute value if the first breakdown voltage and the second breakdown voltage are about the same.
  • the first overvoltage which is the difference between the absolute value of the first breakdown voltage and the first breakdown voltage
  • the second overvoltage which is the difference between the absolute value of the second reverse bias and the absolute value of the second breakdown voltage.
  • FIG. 3 is a plan view of the photodetector 100.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the photodetector 100 on the IV-IV line of FIG.
  • the insulating layer 104 and the like are omitted in order to make the positions of the first APD 10 and the second APD 20 easier to understand.
  • the first conductive type is an N type and the second conductive type is a P type, but the first conductive type is a P type and the second conductive type is an N type. There may be.
  • the photodetector 100 includes a semiconductor substrate 101, a first semiconductor layer 11, a second semiconductor layer 12, a third semiconductor layer 21, a fourth semiconductor layer 22, a light-shielding plate 24, a conductor 102, and wiring. It includes 103 and an insulating layer 104. Light is incident on the photodetector 100 from above the figure (opposite to the conductor 102).
  • the semiconductor substrate 101 is a second conductive type layer.
  • the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 12 are located in the semiconductor substrate 101 and form the first APD 10.
  • the first semiconductor layer 11 is a first conductive type
  • the second semiconductor layer 12 is a second conductive type.
  • the first semiconductor layer 11 is located above the second semiconductor layer 12 (the side on which light is incident).
  • a magnification region 13 (a portion surrounded by a broken line in the cross-sectional view) is formed at the boundary between the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 12.
  • the multiplication region 13 can multiply one signal charge to a large number, and according to the multiplication region 13, it is possible to detect a weak light of one photon.
  • the third semiconductor layer 21 and the fourth semiconductor layer 22 are located in the semiconductor substrate 101 and form the second APD 20.
  • the third semiconductor layer 21 is located above the fourth semiconductor layer 22 (on the light incident surface side).
  • the third semiconductor layer 21 is a first conductive type
  • the fourth semiconductor layer 22 is a second conductive type.
  • a magnification region 23 (a portion surrounded by a broken line in the cross-sectional view) is formed at the boundary between the third semiconductor layer 21 and the fourth semiconductor layer 22.
  • the light-shielding plate 24 (shown by a broken line in FIG. 3) is located above the third semiconductor layer 21 and shields the magnification region 23 from light.
  • the light-shielding plate 24 is formed of a material having a higher light-shielding property than the semiconductor substrate 101.
  • the shading plate 24 is made of, for example, a metal material.
  • the light-shielding plate 24 may use a wiring layer or may use a plurality of wiring layers. In a plan view, the area of the shading plate 24 is larger than that of the second APD 20 (third semiconductor layer 21).
  • the conductor 102 is a member for giving substantially the same potential to the second semiconductor layer 12 and the fourth semiconductor layer 22.
  • the conductor 102 is arranged on the lower surface of the semiconductor substrate 101 (the surface opposite to the light incident side) and covers the lower surface.
  • the conductor 102 is formed of, for example, a metal material, but may be formed of a second conductive type semiconductor.
  • the first APD 10 and the second APD 20 are electrically connected to each other via the semiconductor substrate 101 or the conductor 102 arranged on the back surface of the semiconductor substrate 101.
  • the wiring 103 is a wiring for electrically connecting each of the first APD10 and the second APD20 to a peripheral circuit or the like.
  • the wiring 103 is made of a metal material.
  • the insulating layer 104 is a film having an insulating property and a translucent property that covers the upper surface (light incident surface) of the semiconductor substrate 101.
  • the insulating layer 104 is formed of, for example, silicon oxide (SiO x ) or the like.
  • the photodetector 100 has a structure in which the first APD 10 and the second APD 20 are arranged on the same semiconductor substrate 101.
  • the first APD10 and the second APD20 can be simultaneously provided by a single chip.
  • the first APD10 and the second APD20 are preferably manufactured under the same process conditions.
  • the first breakdown voltage VBD1 and the second breakdown voltage VBD2 have the same value and the same temperature dependence, and the temperature fluctuation of the characteristics of the first APD10 can be suppressed.
  • the first semiconductor layer 11 and the third semiconductor layer 21 have substantially the same concentration profile
  • the second semiconductor layer 12 and the fourth semiconductor layer 22 have substantially the same concentration profile
  • the first APD 10 The breakdown characteristic and the breakdown characteristic of the second APD 20 can be made substantially the same.
  • the above-mentioned V BD1 (T) -V BD2 (T) can be brought close to 0.
  • the bias voltage so as to satisfy the relationship of V sub- V dd ⁇ V BD1 , V sub- V 0 ⁇ V BD2 , V dd > V 0
  • the temperature dependence of the overvoltage of the first APD 10 is increased. It will be reduced.
  • the first semiconductor layer 11 and the third semiconductor layer 21 by the same impurity injection process, it is possible to simplify the chip manufacturing process while making the concentration profiles substantially the same. The same applies to the second semiconductor layer 12 and the fourth semiconductor layer 22.
  • the first APD10 and the second APD20 are separated by the separation unit 105.
  • the separation portion 105 is formed of a second conductive type semiconductor layer as a part of the semiconductor substrate 101.
  • the concentration of impurities of the second conductive type is reduced so that breakdown does not occur in the separation unit 105.
  • the impurity concentration of the separation unit 105 is lower than the impurity concentration of the second semiconductor layer 12.
  • a trench structure or the like may be used as the separating portion 105, and the specific configuration of the separating portion 105 is not particularly limited.
  • the area of the first APD10 is larger than the area of the second APD20 in a plan view. This improves the photosensitivity or aperture ratio of the photodetector 100.
  • the area of the multiplication area 13 may be substantially the same as the area of the multiplication area 23.
  • the breakdown voltages of the first APD10 and the second APD20 can be brought close to each other.
  • the area of the first APD 10 is preferably equal to or larger than the area of the second APD 20.
  • the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 12 have the same width in the horizontal direction of the semiconductor substrate 101, but they do not necessarily have to be the same width. Further, at least one of the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 12 may have a so-called guard ring structure in which the impurity concentration at the end portion is reduced, as in Patent Document 4. Further, the first APD 10 may be a so-called PIN type APD in which an intrinsic semiconductor layer is added between the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 12. As described above, the present invention is not limited to the device structure of APD.
  • the photodetector 100 may include a separating portion having a light-shielding property.
  • FIG. 5 is a plan view of a photodetector including a separation portion having a light-shielding property.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the photodetector on the VI-VI line of FIG. In FIG. 5, the insulation layer 104 and the like are omitted in order to make the positions of the first APD 10 and the second APD 20 easier to understand.
  • the photodetector 100a shown in FIGS. 5 and 6 has a structure in which a separation unit 105a is added to the photodetector 100.
  • the separation unit 105a may be arranged so as to surround the magnification region 23 in a plan view to prevent optical crosstalk between the magnification region 13 and the magnification region 23.
  • the separation portion 105a may be formed of a material having a high light reflectance or a material having a high light absorption rate.
  • a trench may be formed in the semiconductor substrate and a metal such as aluminum may be embedded.
  • the separation portion 105a may be formed of materials having different dielectric constants.
  • a trench may be formed in the semiconductor substrate, and silicon nitride and silicon oxide may be embedded.
  • the protective film is a high-concentration impurity layer or the like.
  • the number of electrons and holes in the depletion layer increases due to the avalanche multiplication, so the probability of light generation due to the recombination of electron-hole pairs in the depletion layer increases. Since a current flows constantly in the second APD 20, light due to recombination is likely to be generated. When the generated light enters the first APD10, it becomes noise and the S / N ratio decreases. According to the separation unit 105a having a high light-shielding property, such noise is reduced.
  • a region may be provided in the semiconductor substrate 101 to discharge the electric charge generated thermally in the semiconductor substrate 101 or the electric charge generated by photoelectric conversion outside the light detection region.
  • the first conductive type semiconductor layer is arranged on the surface of the semiconductor substrate so as to surround both the first APD10 or the second APD20 or the first APD10 and the second APD20, and is connected to a power source so that electric charges can be discharged. .. As a result, noise can be reduced and malfunction can be prevented.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a photodetector having a structure in which the second conductive type semiconductor layer is shared.
  • the second semiconductor layer 106 included in the photodetector 100b shown in FIG. 7 is a second conductive type semiconductor layer shared by the first APD10 and the second APD20, and the second semiconductor layer 12 and the fourth in the photodetector 100a. It corresponds to the one in which the semiconductor layer 22 is integrally formed.
  • the second semiconductor layer 106 may be formed by performing ion implantation that connects the first APD 10 and the second APD 20, or may be formed by adjusting the impurity concentration at the time of producing the semiconductor substrate 101. Good.
  • the second semiconductor layer 106 it is possible to suppress a difference in breakdown voltage between the first APD 10 and the second APD 20. Further, if the portion forming the multiplication region 13 (or the multiplication region 23) of the second semiconductor layer 106 is formed by epitaxial growth, noise is reduced.
  • the second semiconductor layer 106 is formed wider than the first semiconductor layer 11 and the third semiconductor layer 21, there is a concern that the electric field is concentrated at the ends of the first semiconductor layer 11 and the third semiconductor layer 21. .. Therefore, it is preferable that the first semiconductor layer 11 and the third semiconductor layer 21 are provided with an impurity concentration distribution so that the peripheral portion has a lower concentration than the central portion to prevent electric field concentration. Further, as in Patent Document 4, a so-called guard ring structure may be formed.
  • FIG. 8 is a plan view of a photodetector including a process-formed resistor corresponding to the third resistor r3.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the photodetector in the IX-IX line of FIG. In FIG. 8, the insulating layer 104 and the like are not shown.
  • the photodetector 100c shown in FIGS. 8 and 9 includes a resistor 107 electrically connected to the first APD 10 in the insulating layer 104.
  • the resistor 107 is processically formed from a high resistance material such as polysilicon or oxide.
  • the shape of the resistor 107 is not particularly limited.
  • the resistor 107 may be arranged above the first APD 10 and have a vortex shape (in other words, a wound shape).
  • FIG. 10 is a plan view of a photodetector 100c including a vortex-shaped resistor 107c corresponding to the third resistor r3.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the photodetector 100c on the XI-XI line of FIG.
  • illustration of the insulating layer 104 and the like is omitted. Since the resistance value is proportional to the length of the resistor, the resistance of the resistor 107c can be easily increased.
  • FIG. 12 is a diagram showing a circuit configuration of a photodetector including a plurality of first APDs 10 arranged in an array.
  • the arrows in FIG. 12 indicate the direction in which a current having a negative polarity flows.
  • the photodetector 100d shown in FIG. 12 includes a plurality of first APD 10s for one second APD 20.
  • the cathode is electrically connected to the node N2 via the third resistor r3.
  • a power supply V dd is electrically connected to the node N2.
  • the anode of each of the plurality of first APD10s is electrically connected to the node N.
  • the anode of the second APD 20 is also electrically connected to the node N.
  • the number of first APD10s arranged in an array is not particularly limited.
  • the photodetector 100d when a plurality of photons are simultaneously incident on the photodetector 100d, the number of first APD10s that responded is associated with each other according to the amount of current or the amount of voltage change, and the number of incident photons is obtained. be able to. Further, the photodetector 100d may include a circuit that outputs the number of the first APD10 that responded.
  • FIG. 13 is a plan view of the photodetector 100d.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the photodetector 100d on the XIV-XIV line of FIG.
  • the illustration of the insulating layer 104 and the like is omitted.
  • a plurality of first APD10s included in the photodetector 100d are arranged in a matrix in a plan view, and the first APD10s belonging to the same row are electrically connected to the same wiring 103 via a resistor 107. This reduces the number of wires 103.
  • the second semiconductor layer 106 included in the photodetector 100d is a second conductive type semiconductor layer shared by the plurality of first APD10s and the second APD20.
  • the second semiconductor layer 106 may be formed by performing ion implantation that connects the plurality of first APDs 10 and the second APD 20, or is formed by adjusting the impurity concentration when the semiconductor substrate 101 is manufactured. You may.
  • the second semiconductor layer 106 it is possible to suppress a difference in breakdown voltage between the first APD 10 and the second APD 20. Further, if the portion forming the multiplication region 13 (or the multiplication region 23) of the second semiconductor layer 106 is formed by epitaxial growth, noise is reduced.
  • FIG. 14 shows a diagram in which the second semiconductor layer 106 is shared by the plurality of first APD10s and the second APD20
  • the plurality of first APD10s and the second APD20 may each include a different second semiconductor layer 106.
  • two adjacent first APDs 10 are separated by a potential.
  • the overflow of the charges of the adjacent first APD10 senses is suppressed, and the output error is suppressed.
  • it is preferable that the adjacent first APD10s are separated by a depletion layer.
  • the separation width of the adjacent first APD10 can be reduced, the aperture ratio can be improved, and the light sensitivity can be improved.
  • a trench or a contact may be formed in the separation region between the adjacent first APD10s, or the above-mentioned guard ring structure or the like may be formed.
  • the electric field profiles of the first APD in the center of the array and the first APD10 on the outermost circumference are different, and the breakdown voltage may change. Therefore, it is preferable that the signal of the first APD10 on the outermost circumference of the array is not used among the first APD10.
  • the first APD 10 on the outermost circumference of the array is connected to another power supply V OUT so that the first APD 10 on the outermost circumference of the array does not break down, and by setting V OUT ⁇ V dd , the first APD 10 on the outermost circumference of the array does not break down. It is preferable to do so.
  • FIG. 15 is a diagram showing a circuit configuration of a photodetector including a plurality of first APD 10s arranged in an array in which each of the cathodes of the plurality of first APD 10s is connected to a different power source.
  • the arrows in FIG. 15 indicate the direction in which a current having a negative polarity flows.
  • the photodetector 100e shown in FIG. 15 includes a plurality of first APDs 10 with respect to one second APD20.
  • the number of first APD10s arranged in an array is not particularly limited.
  • Such a photodetector 100e can use each of the plurality of first APD10s as a pixel and acquire a signal for each pixel.
  • the photodetector 100e can be used as an image sensor by combining with an appropriate optical system, forming an image of incident light, and matching the coordinates of a plurality of first APD 10s with the light output.
  • FIG. 16 is a plan view of the photodetector 100e.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the photodetector 100e on the XVII-XVII line of FIG.
  • illustration of the insulating layer 104 and the like is omitted.
  • the plurality of first APDs 10 included in the photodetector 100e are arranged in a matrix in a plan view, and the plurality of first APDs 10 are electrically connected to wirings 103 different from each other. As a result, different power supplies can be electrically connected to each of the plurality of first APDs 10.
  • the second semiconductor layer 106 included in the photodetector 100e is a second conductive type semiconductor layer shared by the plurality of first APD10s and the second APD20.
  • the second semiconductor layer 106 may be formed by performing ion implantation that connects the plurality of first APDs 10 and the second APD 20, or is formed by adjusting the impurity concentration when the semiconductor substrate 101 is manufactured. You may.
  • the second semiconductor layer 106 it is possible to suppress a difference in breakdown voltage between the first APD 10 and the second APD 20. Further, if the portion forming the multiplication region 13 (or the multiplication region 23) of the second semiconductor layer 106 is formed by epitaxial growth, noise is reduced.
  • FIG. 17 shows a diagram in which the second semiconductor layer 106 is shared by the plurality of first APD10s and the second APD20, the plurality of first APD10s and the second APD20 may each include a different second semiconductor layer 106.
  • two adjacent first APD10s are separated by a potential.
  • the overflow of the charges of the adjacent first APD10 senses is suppressed, and the output error is suppressed.
  • the adjacent first APD10s are separated by a depletion layer.
  • the separation width of the adjacent first APD10 can be reduced, the aperture ratio can be improved, and the light sensitivity can be improved.
  • a trench or a contact may be formed in the separation region between the adjacent first APD10s, or the above-mentioned guard ring structure or the like may be formed.
  • the electric field profiles of the first APD10 in the center of the array and the first APD10 on the outermost circumference are different, and the breakdown voltage may change. Therefore, it is preferable that the signal of the first APD10 on the outermost circumference of the array is not used among the first APD10.
  • the first APD 10 on the outermost circumference of the array is connected to another power supply V OUT so that the first APD 10 on the outermost circumference of the array does not break down, and by setting V OUT ⁇ V dd , the first APD 10 on the outermost circumference of the array does not break down. It is preferable to do so.
  • FIG. 18 is a diagram showing the potential in the direction horizontal to the substrate surface in the photodetector in which the first APD10s are arranged in an array such as the photodetector 100d or the photodetector 100e, and FIG. Corresponds to the potential on'above, BB'in FIG.
  • the image sensor in other words, the solid-state image sensor
  • the image sensor 100d or the photodetector 100e can prevent erroneous detection and can realize image output without blooming.
  • the image sensor in other words, the solid-state image sensor
  • This region is a low electric field region so that breakdown does not occur.
  • FIG. 19 is a diagram showing a circuit configuration of the photodetector according to the second embodiment.
  • the photodetector 200 includes a first APD10, a second APD20, a first resistor r1, a second resistor r2, and a transistor 30.
  • the anodes of the first APD10 and the second APD20 are electrically connected to each other, but the cathodes may be electrically connected to each other.
  • the arrow in FIG. 19 indicates the direction in which a current having a negative polarity flows.
  • the absolute value of the first reverse bias applied to the first APD 10 is larger than the absolute value of the second reverse bias applied to the second APD 20.
  • the transistor 30 is an N-channel type transistor. Since the resistance value of the transistor 30 can be controlled by the gate length and the gate width of the transistor 30, it can be arbitrarily designed so that the resistance value can be quenched as described above. Further, the resistance value may be arbitrarily changed with time by controlling the gate voltage of the transistor 30. For example, the gate of the transistor 30 is turned off at the time of exposure, and the gate of the transistor is turned on at the time of reset. As a result, the resistance value of the transistor 30 during the exposure period becomes higher than the resistance value of the transistor 30 during the reset period. Therefore, the transistor 30 functions as a quenching element, and the multiplication in the first APD 10 can be stopped instantly. it can. During the exposure period of the first APD 10, the resistance value of the transistor 30 becomes higher than the resistance value of the first resistor r1.
  • FIG. 19 shows a configuration in which an N-channel transistor is connected to the cathode of the APD
  • a configuration in which the polarities of the P-type and the N-type are exchanged may be used.
  • a P-channel transistor is used for the third resistor, but since the P-channel transistor has low mobility, it is easier to realize a higher resistance than the N-channel transistor, and the high resistance required for the third resistor r3 is realized.
  • the first resistor r1 and the second resistor r2 may be realized by a transistor.
  • FIG. 20 is a plan view of the photodetector 200.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view of the photodetector 200 on the XXI-XXI line of FIG.
  • the illustration of the insulating layer 104 and the like is omitted.
  • the photodetector 200 includes a semiconductor substrate 101, a first semiconductor layer 11, a second semiconductor layer 12, a light-shielding plate 24, a conductor 102, a wiring 103, an insulating layer 104, a separation portion 105a, and a first. Two semiconductor layers 106 and a transistor 30 are provided.
  • the transistor 30 is formed in the circuit area.
  • the circuit region is, for example, a region including a first well 108 having a first conductive type and a second well 109 having a second conductive type.
  • the transistor 30 is a first conductive type.
  • a plurality of first APD10s included in the photodetector 200 are arranged in a matrix in a plan view, and the first APD10s belonging to the same row are electrically connected to the same wiring 103 via a transistor 30.
  • the first APD 10 (in other words, the pixel for reading the signal) for reading the signal can be selected by turning the transistor 30 on and off.
  • the photodetector 200 may include a P-channel type transistor instead of the N-channel type transistor 30.
  • FIG. 22 is a diagram showing a circuit configuration of such a photodetector. In FIG. 22, the anodes of the first APD10 and the second APD20 are electrically connected to each other, but the cathodes may be electrically connected to each other.
  • the photodetector 200a provided with such a P-channel type transistor 30a, when an electric charge is generated in the first APD 10 and the cathode voltage of the first APD 10 changes, the resistance of the transistor 30a increases, so that quenching is likely to occur. Is obtained.
  • FIG. 23 is a plan view of the photodetector 200a.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of the photodetector 200a on the XXIV-XXIV line of FIG. In FIG. 23, the illustration of the insulating layer 104 and the like is omitted.
  • the transistor 30a is formed in the circuit area.
  • the circuit region is a region including a well 110 having a first conductive type.
  • the transistor 30a is a second conductive type.
  • the photodetector 200a including the P-channel type transistor 30a can simplify and make the well structure smaller than the photodetector 200 including the N-channel type transistor. Then, the area of the first APD 10 can be increased, and the aperture ratio can be improved.
  • FIG. 25 is a diagram showing a modified example of the shape of the light-shielding plate.
  • the light-shielding plate 24 is preferably formed widely so that the second APD 20 is not incident with light, as in the photodetector 200b shown in FIG. 25.
  • the separation portion 105a which is a light-shielding portion formed on the separation portion 105, is covered.
  • the light-shielding plate 24 is covered with a light-shielding substance so as to surround the outermost periphery of the light-shielding plate 24 so that light does not leak into the second APD 20 due to oblique light (outer wall 25 of the light-shielding plate).
  • the fluctuation of the current of the second APD 20 becomes smaller, the voltage fluctuation of the node N is reduced, and the characteristics become more stable.
  • the outer wall 25 of the light-shielding plate can be easily formed by forming the outer wall 25 of the light-shielding plate with contacts or wiring.
  • the outer wall 25 of the light-shielding plate may be formed of another material without using the wiring layer.
  • the position of the outer wall 25 of the light-shielding plate in the horizontal direction of the substrate preferably coincides with the separation portion 105a which is the light-shielding portion, but it does not necessarily have to coincide.
  • FIG. 26 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the pixel circuit.
  • the pixel circuit 400 shown in FIG. 26 includes a first APD 10, a vertical scanning circuit 406, a reading circuit 407, a horizontal scanning circuit 408, a buffer amplifier 409, a reset transistor 410, a source follower transistor 411, and a selection transistor 412. And a floating diffusion capacity 413.
  • the reset process is performed by the reset transistor 410.
  • the first APD 10 is selected by the vertical scanning circuit 406 and the horizontal scanning circuit 408, and the signal charge detected by the selected first APD 10 is transferred to the stray diffusion capacitance 413.
  • the signal corresponding to the amount of signal charge is amplified by the source follower transistor 411 and transmitted to the readout circuit 407 via the selection transistor 412.
  • the transmitted signal is output from the read circuit 407 to the signal processing circuit (not shown) via the buffer amplifier 409, and after the signal processing circuit (not shown) performs signal processing such as white balance, the display (shown). (Not shown) or transferred to memory (not shown).
  • the signal can be imaged.
  • FIG. 27 is a plan view showing an example of the arrangement of the reset transistor 410, the source follower transistor 411, and the selection transistor 412.
  • FIG. 28 shows a driving example of the circuit shown in FIG. 27.
  • the solid line in the figure shows the voltage
  • 410 and 412 show the gate voltage of the reset transistor 410 and the gate voltage of the selection transistor 412, respectively, and the output shows the output from the vertical signal line.
  • the symbols H and L mean two states, high voltage and low voltage, respectively.
  • Each frame includes a reset period and an exposure period.
  • the gate voltage of the reset transistor 410 is set to H, the reset transistor 410 is turned on, and a bias is applied to the first APD 10.
  • the gate voltage of the reset transistor 410 is set to L, the reset transistor 410 is turned off, and the power supply is disconnected from the first APD 10.
  • the output voltage fluctuates and light is detected.
  • the output from the first APD 10 is amplified by the source follower transistor 411, and a large output can be obtained.
  • the reset transistor 410 functions as a third resistor. From the circuit diagram of FIG. 35, the reset transistor 410 may be used as a resistor.
  • FIG. 29 is a diagram showing another example of the circuit configuration of the pixel circuit.
  • the pixel circuit 400a shown in FIG. 29 has a circuit configuration in which a transfer transistor 402 is added to the pixel circuit 400.
  • the transfer transistor 402 transfers the signal charge detected by the first APD 10 to the stray diffusion capacitance 413.
  • the pixel circuit is not limited to the above.
  • a memory or an analog-to-digital conversion circuit may be mounted in the pixel.
  • a circuit configuration capable of outputting the timing of light detection may be provided.
  • FIG. 30 is a plan view of a photodetector including a plurality of second APDs 20 arranged in an array.
  • the illustration of the insulating layer 104 and the like is omitted.
  • the photodetector 200d shown in FIG. 30 has a structure in which a plurality of second APDs 20 are arranged in an array. Others have a structure similar to that of the photodetector 200.
  • each of the plurality of second APD 20s has a structure similar to that of the first APD 10.
  • the structure of the 1APD10 and the second 2APD20 structure is different, due to the shape of the 2APD20 end, there is a difference greater concern with V BD1 described above (T) and V BD2 (T) Since each of the plurality of second APD 20s has the same structure as that of the first APD 10, the difference between V BD1 (T) and V BD2 (T) can be reduced.
  • FIG. 31 is a plan view of such a photodetector. In addition, in FIG. 31, the illustration of the insulating layer 104 and the like is omitted.
  • the photodetector 200e shown in FIG. 31 includes a plurality of APDs arranged in an array in addition to the plurality of first APDs 10 arranged in an array, but only the APD surrounded by a broken line that is not the outermost circumference is the first. Used as 2APD20 and broken down. The other APDs (the outermost APDs) are not broken down by applying a reverse bias smaller than that of the second APD20.
  • the photodetector 200e includes a plurality of APDs arranged in an array at positions different from the plurality of first APDs 10, and the second APD20 is a location other than the outermost periphery (for example, the central portion) of the plurality of APDs. ) Is an APD located at.
  • the second APD 20 is an APD that is not located on the outermost circumference of the plurality of APDs. According to such a configuration, the difference between V BD1 (T) and V BD2 (T) described above can be reduced.
  • the photodetector 200e includes a plurality of APDs arranged in an array, and the first APD 10 may be an APD located at a place (for example, a central portion) other than the outermost periphery of the plurality of APDs. That is, as for the first APD 10, an APD that is not located on the outermost circumference may be used.
  • FIG. 32 is a plan view showing an arrangement example 1 of the first APD10 and the second APD20 in the image sensor.
  • the image pickup device 300 shown in FIG. 32 includes a substrate or a region 301 cut out from the substrate, a readout circuit 302, and a scanning circuit 303.
  • the central portion of the main surface of the region 301 is the first region 304 in which a plurality of first APD 10s are arranged, and the first region 304 is between the read circuits 302 divided into two places and two. It is located between the scanning circuits 303 divided into places. That is, the first region 304 is surrounded by the read circuit 302 and the scanning circuit 303.
  • the first region 304 is preferably arranged in the center of the region 301, but does not necessarily have to be in the center.
  • the second area 305 in which one or more second APD 20s are arranged is included in the upper right corner portion of the main surface of the area 301.
  • the first region 304 and the second region 305 are not adjacent to each other.
  • the noise refers to, for example, the recombination light of electron holes, which causes erroneous detection.
  • the area of the first region 304 is preferably larger than the area of the second region 305.
  • the second APD 20 can be arranged in the same chip without reducing the area of the first region, reducing the area of the second APD 20, and reducing the optical sensitivity.
  • the second area 305 is arranged only in the upper right area, but it may be arranged in four places at the four corners of the chip. As a result, the non-uniformity of the voltage in the chip surface can be reduced, the voltage in the first APD array can be made uniform, and the specific arrangement is not limited.
  • the first region 304 is provided at the central portion of the main surface of the region 301, and the second region 305 is provided at the corner portion of the main surface of the region 301.
  • FIG. 33 is a plan view showing an arrangement example 2 of the first APD10 and the second APD20 in the image sensor.
  • the image pickup device 300a shown in FIG. 33 includes a region 301, a read-out circuit 302, and a scanning circuit 303.
  • the central portion of the main surface of the region 301 is divided into a first region 304a in which a plurality of first APD 10s are arranged and a second region 305a in which one or more second APD 20s are arranged.
  • the first region 304a and the second region 305a are located between the reading circuits 302 divided into two places and between the scanning circuits 303 divided into two places. That is, the first region 304a and the second region 305a are surrounded by the read circuit 302 and the scanning circuit 303.
  • the area of the first region 304a is preferably larger than the area of the second region 305a.
  • the first region 304a and the second region 305a are adjacent to each other.
  • the method of adjacency is not particularly limited.
  • the first region 304a and the second region 305a may be arranged side by side in the horizontal direction as shown in FIG. 33, or may be arranged side by side in the vertical direction although not shown.
  • the regions of the first APD10 and the second APD20 can be reduced, and the chip can be miniaturized.
  • the first region 304a and the second region 305a are both provided in the central portion of the main surface of the region 301, and the first region 304a and the second region 305a are adjacent to each other. ..
  • FIG. 34 is a plan view showing an arrangement example 3 of the first APD10 and the second APD20 in the image sensor.
  • the image pickup device 300b shown in FIG. 34 includes a region 301, a read-out circuit 302, and a scanning circuit 303.
  • the plan view shape of the area 301 is rectangular.
  • the central portion of the main surface of the region 301 is divided into a first region 304b in which a plurality of first APD 10s are arranged and a second region 305b in which one or more second APD 20s are arranged.
  • the first region 304b and the second region 305b are located between the reading circuits 302 divided into two places and between the scanning circuits 303 divided into two places. That is, the first region 304b and the second region 305b are surrounded by the read circuit 302 and the scanning circuit 303.
  • the first region 304b is a rectangular region
  • the second region 305b is a rectangular annular region adjacent to the first region 304a and surrounding the first region 304b.
  • the area of the first region 304b is preferably larger than the area of the second region 305b. Such an arrangement is more preferable when the noise to the first region caused by the second region is almost negligible.
  • the chip can be further miniaturized. Further, by making the structures of the first APD 10 and the second APD 20 the same or similar, it is possible to prevent the electric field concentration on the outermost periphery of the first APD 10.
  • the first region 304b and the second region 305b are both provided in the central portion of the main surface of the region 301, and the second region 305b surrounds the first region 304b.
  • each area is shown as a rectangle, but the shape is not limited. Further, it merely shows an example of the relationship between the arrangement of the first APD10 and the second APD20, and does not limit the present invention.
  • FIG. 35 is an example of a cross-sectional view of a back-illuminated photodetector.
  • the photodetector 200f includes a semiconductor substrate 101, a first semiconductor layer 11, a second semiconductor layer 12, a light-shielding plate 24, a conductor 102, a wiring 103, an insulating layer 104, a separation portion 105a, and a first. 2
  • the semiconductor layer 106, the transistor 30, and the back surface protective layer 501 provided on the back surface of the semiconductor substrate 101 are provided.
  • the transistor 30 is formed in the circuit area.
  • the circuit region is, for example, a region including a first well 108 having a first conductive type and a second well 109 having a second conductive type.
  • the transistor 30 is a first conductive type.
  • the plurality of first APDs 10 included in the photodetector 200 are arranged in a matrix in a plan view, and the first APDs 10 belonging to the same row are electrically connected to the same wiring 103 via a transistor 30. ing. Thereby, the first APD 10 (in other words, the pixel for reading the signal) for reading the signal can be selected by turning the transistor 30 on and off.
  • the light-shielding plate 24 is embedded in the back surface protective layer 501 to prevent light irradiation on the second APD 20.
  • FIG. 36 is an example of a cross-sectional view of a wafer-bonded photodetector.
  • the photodetector 200 g includes a semiconductor substrate 101, a first semiconductor layer 11, a second semiconductor layer 12, a light-shielding plate 24, a conductor 102, a wiring 103, an insulating layer 104, a separation portion 105a, and a first.
  • the two semiconductor layers 106, the transistor 30, the back surface protective layer 501 provided on the back surface of the semiconductor substrate 101, and the second semiconductor substrate 502 are provided.
  • the circuit area is formed on the second semiconductor substrate 502.
  • the circuit region is a region including a second well 109 having a second conductive type.
  • the transistor 30 is a first conductive type.
  • the back surface of the semiconductor substrate 101, but the 1APD10 and the 2APD20 is V sub is applied to break down, the back surface of the second semiconductor substrate 502 can be fixed to an arbitrary voltage, the first well 108 Is no longer needed.
  • the area of the first APD10 is expanded and the aperture ratio is improved, so that the light sensitivity can be increased.
  • the second light-shielding plate 503 is also preferable to form the second light-shielding plate 503 on the insulating layer 104 as well. As a result, it is possible to prevent the light incident on the region of the second APD 20 and the light generated by the second APD 20 from being reflected at the interface between the insulating layer 104 and the second semiconductor substrate 502 and leaking to the first APD 10.
  • the outer wall 504 of the second light-shielding plate can be formed without any additional steps.
  • the outer wall 504 of the second light-shielding plate may be formed of another material without using the wiring layer.
  • the position of the outer wall 25 of the light-shielding plate in the horizontal direction of the substrate is preferably coincident with the separation portion 105a, but it is not always necessary.
  • the second semiconductor layer 106 and the semiconductor substrate 101 are formed by epitaxially growing the substrate.
  • the impurity concentration in the second semiconductor layer 106 is higher than the impurity concentration in the semiconductor substrate 101.
  • the first semiconductor layer 11 and the third semiconductor layer 21 are formed by ion-implanting impurities such as arsenic and phosphorus into the semiconductor substrate 101.
  • the well 110 is formed by ion-implanting impurities such as boron into the semiconductor substrate 101.
  • etching for forming the separation portion 105a is performed, and as shown in FIG. 37F, the light transmittance is higher than that of the semiconductor substrate 101 in the holes (grooves) formed by the etching.
  • the separation portion 105a is formed by embedding a low-quality material. That is, a substance having a lower light transmittance than the region of the first APD10 is arranged between the first APD10 and the third resistor r3.
  • a part of the insulating layer 104 is deposited on the semiconductor substrate 101 by the Chemical Vapor Deposition (CVD) method.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • FIG. 37H after patterning of the wiring groove (trench) and the via by the lithography method, the trench and the via are formed inside the insulating layer by the dry etching method.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • a barrier film that suppresses the diffusion of Cu and a Cu seed layer for passing an electric current during electrolytic plating are formed on the inner wall surfaces of the trench and via. Accumulated. After that, the Cu film is embedded in the trench and the via by the Cu electrolytic plating method.
  • the wiring 103 is formed by removing the excess Cu film and the barrier film on the surface by the chemical mechanical polishing (CMP) method.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • a part of the insulating layer is further deposited by chemical vapor deposition, and a light-shielding layer is formed on the insulating layer as shown in FIG. 37K.
  • the light-shielding plate 24 is formed by etching the light-shielding layer.
  • chemical vapor deposition causes a portion of the insulating layer to be further deposited to form the insulating layer 104.
  • the photodetector 100 includes a first APD 10 having sensitivity to incident light and a second APD 20 having a smaller current value fluctuation width than the first APD 10.
  • One terminal of the first APD 10 is electrically connected to one terminal of the second APD 20, the other terminal of the first APD 10 and the other terminal of the second APD 20 are connected to different power sources, and one of the first APD 10 is connected.
  • the terminal and one terminal of the second APD 20 are both anodes or both are cathodes.
  • Such a photodetector 100 can reduce the temperature dependence of the characteristics of the first APD 10 by a constant current flowing through the second APD 20.
  • a first reverse bias having a larger absolute value than the first breakdown voltage of the first APD10 is applied to the first APD10, and the second avalanche photodiode is absolutely higher than the second breakdown voltage of the second APD20.
  • a second reverse bias with a large value is applied.
  • first APD10 as an APD for light detection and the second APD20 as a temperature feedback APD for reducing the temperature dependence of the characteristics of the first APD10.
  • one terminal of the first APD 10 and one terminal of the second APD 20 are connected to the first power supply via the first resistor r1, and the other terminal of the second APD 20 is connected via the second resistor r2. It is connected to the second power supply, the other terminal of the first APD10 is connected to the third power supply via the third resistor r3, and the resistance value of the third resistor is the resistance value of the first resistor and the resistance value of the second resistor. Higher than any of the resistance values.
  • first APD10 as an APD for light detection and the second APD20 as a temperature feedback APD for reducing the temperature dependence of the characteristics of the first APD10.
  • the third resistor r3 transiently stops the multiplication in the first APD 10 by functioning as a quenching element, and the first resistor r1 and the second resistor r2 do not function as a quenching element and are second.
  • a steady current is passed through 2APD20.
  • the multiplication can be stopped by the third resistor r3.
  • the first overvoltage which is the difference between the absolute value of the first reverse bias and the absolute value of the first breakdown voltage
  • the second overvoltage is the difference between the absolute value of the second reverse bias and the absolute value of the second breakdown voltage. Greater than the second overvoltage.
  • one terminal of the first APD 10 and one terminal of the second APD 20 are connected to the first power supply via the first resistor r1, and the other terminal of the second APD 20 is connected via the second resistor r2. It is connected to the second power supply, the other terminal of the first APD 10 is connected to the third power supply via the transistor 30, and during the exposure period of the first APD 10, the resistance value of the transistor 30 is higher than the resistance value of the first resistor r1. high.
  • first APD10 as an APD for light detection and the second APD20 as a temperature feedback APD for reducing the temperature dependence of the characteristics of the first APD10.
  • the transistor 30 transiently stops the multiplication in the first APD 10 by functioning as a quenching element, and the first resistor r1 and the second resistor r2 do not function as a quenching element and become the second APD 20. A steady current is applied.
  • the multiplication can be stopped by the transistor 30.
  • the resistance value of the transistor 30 is controlled by the gate voltage, a reverse bias is applied to the first APD 10 during the reset period, and the resistance value of the transistor 30 during the exposure period is higher than the resistance value of the transistor 30 during the reset period. Is also expensive.
  • Such a photodetector 200 can generate quenching due to a voltage drop in the transistor 30.
  • a substance having a lower light transmittance than the region of the first APD10 is arranged between the first APD10 and the third resistor r3.
  • the second APD 20 is shielded from light.
  • the first APD10 and the second APD20 are arranged on the same semiconductor substrate 101.
  • the first APD10 and the second APD20 can be produced at the same time by the same process, so that the characteristics of the first APD10 and the characteristics of the second APD20 can be brought close to each other.
  • the temperature dependence of the characteristics of the APD can be effectively reduced.
  • the first APD 10 is formed by a first conductive type first semiconductor layer 11 and a second conductive type second semiconductor layer 12 different from the first conductive type.
  • the second APD 20 is formed by a first conductive type third semiconductor layer 21 and a second conductive type fourth semiconductor layer 22.
  • the photodetector 100 further includes a conductor 102 for giving substantially the same potential to the second semiconductor layer 12 and the fourth semiconductor layer 22.
  • Such a photodetector 100 can give substantially the same potential to the second semiconductor layer 12 and the fourth semiconductor layer 22.
  • the conductor 102 is a second conductive type semiconductor layer.
  • such a photodetector 100 can give substantially the same potential to the second semiconductor layer 12 and the fourth semiconductor layer 22.
  • the first APD10 and the second APD20 are optically separated.
  • Such a photodetector 100a can suppress the light generated by the recombination of electrons and holes in the second APD 20 from entering the first APD 10.
  • the photodetector 100d includes a plurality of first APDs 10 arranged in an array.
  • Such a photodetector 100d can function as an image sensor that uses the first APD10 as a pixel.
  • the photodetector includes a plurality of APDs arranged in an array.
  • the first APD 10 is an APD located at a position other than the outermost circumference among the plurality of APDs.
  • the photodetector 200d includes a plurality of second APDs 20 arranged in an array.
  • the characteristics of the first APD10 and the characteristics of the second APD20 can be brought close to each other.
  • the temperature dependence of the characteristics of the first APD10 can be effectively reduced.
  • the photodetector 200e includes a plurality of APDs arranged in an array at positions different from the plurality of first APD10s.
  • the second APD 20 is an APD located at a position other than the outermost circumference among the plurality of APDs.
  • the APD located on the outermost circumference has a higher breakdown voltage than the first APD10 and the second APD20.
  • the first APD 10 is formed by the first conductive type first semiconductor layer 11 and the second conductive type second semiconductor layer 106 different from the first conductive type
  • the second APD 20 is the second APD 20. It is formed by a 1-conductive third semiconductor layer 21 and a second semiconductor layer 106.
  • the second semiconductor layer 106 is formed by epitaxial growth.
  • the second semiconductor layer 106 can be easily formed by epitaxial growth.
  • the area of the first APD 10 is larger than the area of the second APD 20 in a plan view.
  • each layer of the laminated structure of the photodetector is illustrated, but each layer of the laminated structure of the photodetector is the same as the laminated structure of the above-described embodiment.
  • Other materials may be included as long as the above functions can be realized.
  • the corners and sides of each component are shown linearly, but the present disclosure also includes those having rounded corners and sides due to manufacturing reasons and the like.
  • the present disclosure may be realized as a method for manufacturing a photodetector.
  • the photodetector of the present disclosure is useful as a photodetector with reduced temperature dependence.

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Abstract

光検出器（１００）は、入射光に対して感度を有する第１ＡＰＤ（１０）と、入射光によらず一定の電流が流れる第２ＡＰＤ（２０）とを備える。第１ＡＰＤ（１０）の一方の端子は、第２ＡＰＤ（２０）の一方の端子に電気的に接続され、第１ＡＰＤ（１０）の他方の端子、及び、第２ＡＰＤ（２０）の他方の端子は、互いに異なる電源に接続され、第１ＡＰＤ（１０）の一方の端子、及び、第２ＡＰＤ（２０）の一方の端子は、いずれもアノードであるか、または、いずれもカソードである。

Description

光検出器
　本開示は、光検出器に関する。
　近年、医療、通信、バイオ、化学、監視、車載、放射線検出等多岐に渡る分野において、高感度な光検出器が利用されている。高感度化のための手段の一つとして、アバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ　Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ；以下、ＡＰＤともいう）が用いられている。ＡＰＤは、光電変換層に入射された光が光電変換されることで発生した信号電荷を、アバランシェ降伏を用いて増倍することで光の検出感度を高めたフォトダイオードである。ＡＰＤを用いることで、わずかなフォトンの数でも検出可能となる。
　例えば、ＡＰＤが用いられたフォトンカウンティング型の光検出器（例えば、特許文献１参照）及び高感度イメージセンサ（例えば、特許文献２参照）が考案されている。
　また、例えば、ＡＰＤの構造の一例として、リーチスルー型のＡＰＤが開示されている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。
　ＡＰＤを安定して利用するためには、低温から高温までの広い温度範囲で、光特性が変化しないことが必要である。特に、ＡＰＤに印加する逆バイアスの大きさによって、ＡＰＤの光特性が変化するため、温度を測定し、印加電圧にフィードバックする回路や素子を設ける構成が開示されている（特許文献４及び特許文献５参照）。
国際公開第２００８／００４５４７号 国際公開第２０１４／０９７５１９号 特開２０１５－５７５２号公報 特開２０１１－２０４８７９号公報 特開平７－１７６７８２号公報
　ＡＰＤの特性（例えば、増倍率、及び、光子検出確率など）は、温度依存性を有する。ＡＰＤを備える光検出器においては、ＡＰＤの特性の温度依存性を低減することが課題となる。
　本開示は、ＡＰＤの特性の温度依存性を低減することができる光検出器を提供する。
　本開示の一態様に係る光検出器は、入射光に対して感度を有する第１アバランシェフォトダイオードと、前記入射光によらず一定の電流が流れる第２アバランシェフォトダイオードとを備え、前記第１アバランシェフォトダイオードの一方の端子は、前記第２アバランシェフォトダイオードの一方の端子に電気的に接続され、前記第１アバランシェフォトダイオードの他方の端子、及び、前記第２アバランシェフォトダイオードの他方の端子は、互いに異なる電源に接続され、前記第１アバランシェフォトダイオードの前記一方の端子、及び、前記第２アバランシェフォトダイオードの前記一方の端子は、いずれもアノードであるか、または、いずれもカソードである。
　本開示の一態様に係る光検出器は、ＡＰＤの特性の温度依存性を低減することができる。
図１は、実施の形態１に係る光検出器の回路構成を示す図である。 図２Ａは、ＡＰＤの特性をシミュレーションするための回路を示す図である。 図２Ｂは、図２Ａの回路において抵抗を流れる電流のシミュレーションの結果を示す図である。 図３は、実施の形態１に係る光検出器の平面図である。 図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線における光検出器の断面図である。 図５は、遮光性を有する分離部を備える光検出器の平面図である。 図６は、図５のＶＩ－ＶＩ線における光検出器の断面図である。 図７は、第２導電型の半導体層が共有される構造を有する光検出器の断面図である。 図８は、第３抵抗に相当するプロセス的に形成された抵抗体を備える光検出器の平面図である。 図９は、図８のＩＸ－ＩＸ線における光検出器の断面図である。 図１０は、第３抵抗に相当する渦形状の抵抗体を備える光検出器の平面図である。 図１１は、図１０のＸＩ－ＸＩ線における光検出器の断面図である。 図１２は、アレイ状に配列された複数の第１ＡＰＤを備える光検出器の回路構成を示す図である。 図１３は、アレイ状に配列された複数の第１ＡＰＤを備える光検出器の平面図である。 図１４は、図１３のＸＩＶ－ＸＩＶ線における光検出器の断面図である。 図１５は、各々が別の電源に接続される、アレイ状に配列された複数の第１ＡＰＤを備える光検出器の回路構成を示す図である。 図１６は、各々が別の電源に接続される、アレイ状に配列された複数の第１ＡＰＤを備える光検出器の平面図である。 図１７は、図１６のＸＶＩＩ－ＸＶＩＩ線における光検出器の断面図である。 図１８は、第１ＡＰＤがアレイ状に配列された光検出器におけるポテンシャルを示す図である。 図１９は、実施の形態２に係る光検出器の回路構成を示す図である。 図２０は、実施の形態２に係る光検出器の平面図である。 図２１は、図２０のＸＸＩ－ＸＸＩ線における光検出器の断面図である。 図２２は、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の回路構成を示す図である。 図２３は、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の平面図である。 図２４は、図２３のＸＸＩＶ－ＸＸＩＶ線における光検出器の断面図である。 図２５は、遮光板の形状の変形例を示す図である。 図２６は、画素回路の回路構成の一例を示す図である。 図２７は、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、及び、選択トランジスタの配置の一例を示す平面図である。 図２８は、図２６の画素回路の駆動例を示す図である。 図２９は、画素回路の回路構成の別の例を示す図である。 図３０は、アレイ状に配列された複数の第２ＡＰＤを備える光検出器の平面図である。 図３１は、アレイ状に配列された複数のＡＰＤのうち中央部に位置するＡＰＤのみが第２ＡＰＤとして使用される光検出器の平面図である。 図３２は、撮像素子における第１ＡＰＤ及び第２ＡＰＤの配置例１を示す平面図である。 図３３は、撮像素子における第１ＡＰＤ及び第２ＡＰＤの配置例２を示す平面図である。 図３４は、撮像素子における第１ＡＰＤ及び第２ＡＰＤの配置例３を示す平面図である。 図３５は、裏面照射型の光検出器の断面図の一例である。 図３６は、ウエハ接合型の光検出器の断面図の一例である。 図３７Ａは、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の製造方法を説明するための第１の断面図である。 図３７Ｂは、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の製造方法を説明するための第２の断面図である。 図３７Ｃは、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の製造方法を説明するための第３の断面図である。 図３７Ｄは、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の製造方法を説明するための第４の断面図である。 図３７Ｅは、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の製造方法を説明するための第５の断面図である。 図３７Ｆは、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の製造方法を説明するための第６の断面図である。 図３７Ｇは、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の製造方法を説明するための第７の断面図である。 図３７Ｈは、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の製造方法を説明するための第８の断面図である。 図３７Ｉは、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の製造方法を説明するための第９の断面図である。 図３７Ｊは、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の製造方法を説明するための第１０の断面図である。 図３７Ｋは、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の製造方法を説明するための第１１の断面図である。 図３７Ｌは、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の製造方法を説明するための第１２の断面図である。 図３７Ｍは、Ｐチャネル型のトランジスタを備える光検出器の製造方法を説明するための第１３の断面図である。
　以下、実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、工程（ステップ）及び工程の順序等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する場合がある。
　また、以下の実施の形態において、略水平方向等の「略」を用いた表現を用いている。例えば、略同一は、完全に同一であることを意味するだけでなく、実質的に同一であることを意味し、例えば、数％程度の差異を含む場合がある。
　また、以下の実施の形態において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構造における相対的な位置関係を規定する用語として用いられる。以下の実施の形態では、半導体基板の表面側を「上方」、裏面側を「下方」としている。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔を空けて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接する場合にも適用される。
　また、「平面視」とは、半導体基板の主面（例えば、裏面）の法線方向から見ることを示す。本開示は、以下の実施の形態において、Ｐ型とＮ型とを逆転させた構造を排除するものではない。
　（実施の形態１）
　［光検出器の回路構成］
　まず、図１を参照しながら、実施の形態１に係る光検出器の構造を説明する。図１は、実施の形態１に係る光検出器の回路構成を示す図である。
　図１に示されるように、光検出器１００は、第１アバランシェフォトダイオード１０（以下、第１ＡＰＤ１０とも記載される）と、第２アバランシェフォトダイオード２０（以下、第２ＡＰＤ２０とも記載される）と、第１抵抗ｒ１と、第３抵抗ｒ３と、第２抵抗ｒ２とを備える。なお、以下では、第１抵抗ｒ１の抵抗値はＲ１と記載され、第２抵抗ｒ２の抵抗値はＲ２と記載され、第３抵抗ｒ３の抵抗値はＲ３と記載される。図１における矢印は、マイナスの極性の電流が流れる向きを示す。
　第１ＡＰＤ１０は、光検出器１００への入射光に対して感度を有するアバランシェフォトダイオードである。つまり、第１ＡＰＤ１０には、入射光に応じた電流が流れる。第１ＡＰＤ１０のカソードとアノードとの間には第１逆バイアスが印加される。図１では、第１逆バイアスは、Ｖｓｕｂ－Ｖｄｄである。第１ＡＰＤ１０に直列接続された第３抵抗ｒ３は、クエンチング素子として機能することにより第１ＡＰＤ１０における増倍を過渡的に停止させる。つまり、第１ＡＰＤ１０は、一般的なＡＰＤと同様の動作を行う。
　第２ＡＰＤ２０は、光検出器１００への入射光に対して感度を有しないアバランシェフォトダイオードである。つまり、第２ＡＰＤ２０は、入射光によらず略一定の電流が流れる。言い換えれば、第２ＡＰＤ２０は、第１ＡＰＤ１０よりも電流値の振れ幅の小さい電流が流れる。第２ＡＰＤ２０は、第１ＡＰＤ１０と略同一のブレークダウン電圧を有していることが望ましい。また、当該ブレークダウン電圧の温度依存性についても第１ＡＰＤ１０と略同一であることが望ましい。
　第１ＡＰＤ１０のアノード、及び、第２ＡＰＤ２０のアノードは、ほとんど無視できるほどの抵抗を介して電気的に接続されている。第１ＡＰＤ１０のアノード、及び、第２ＡＰＤ２０のアノードの接続点はノードＮと記載される。なお、光検出器１００では、第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０のアノード同士が電気的に接続されているが、カソード同士が電気的に接続されてもよい。
　ノードＮは、第１抵抗ｒ１を介して、電源Ｖｓｕｂに接続され、第１ＡＰＤ１０のカソードは第３抵抗ｒ３を介して電源Ｖｄｄに接続され、第２ＡＰＤ２０のカソードは第２抵抗ｒ２を介して電源Ｖ０に接続される。
　このとき、第１ＡＰＤ１０のブレークダウン電圧を－ＶＢＤ１、第２ＡＰＤ２０のブレークダウン電圧を－ＶＢＤ２とすると、Ｖｄｄ、Ｖ０、及び、Ｖｓｕｂは、Ｖｓｕｂ－Ｖｄｄ＜ＶＢＤ１と、Ｖｓｕｂ－Ｖ０＜ＶＢＤ２との両方が満たされるように設定される。これにより、いわゆるガイガーモードで第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０を動作させることが可能となる。なお、電圧の極性は、順バイアスを正としており、ＶＢＤ１＜０、ＶＢＤ２＜０である。
　第１抵抗ｒ１の抵抗値をＲ１、第２抵抗ｒ２の抵抗値をＲ２、第３抵抗ｒ３の抵抗値をＲ３とすると、抵抗値は、Ｒ３＞Ｒ１＞Ｒ２となるように設定される。
　第２ＡＰＤ２０のカソードとアノードとの間には第１逆バイアスよりも絶対値が小さい第２逆バイアスが印加される。図１では、第１逆バイアスは、Ｖｓｕｂ－Ｖ０である。第１抵抗ｒ１及び第２抵抗ｒ２は、クエンチング素子として機能せずに第２ＡＰＤ２０に定常電流を流す。後述のように、第２ＡＰＤ２０は、第１ＡＰＤ１０の特性の温度依存性を低減する機能を持つ。
　ここで、本発明の動作原理を説明する。一般に、ＡＰＤの特性は、ＡＰＤに印加される逆バイアスとブレークダウン電圧との差分であるオーバー電圧によって定まる。しかし、ブレークダウン電圧は、温度に依存する。このため、ＡＰＤの特性の温度依存性を低減するためには、当該ＡＰＤに印加される逆バイアスも温度に応じて変化させ、オーバー電圧の変化を低減する必要がある。
　これに対し、光検出器１００は、第２ＡＰＤ２０によって、第１ＡＰＤ１０のオーバー電圧の温度依存性を低減することで、第１ＡＰＤ１０の特性の温度変化を低減することができる。なお、ＡＰＤの特性とは、例えば、増倍率、及び、光子検出確率などを指すが、これに限定されるものではない。
　まず、ＶＢＤ１＝ＶＢＤ２＝ＶＢＤの場合を考える。図１に示される回路構成において、第１抵抗ｒ１の抵抗値Ｒ１が第２抵抗ｒ２の抵抗値Ｒ２よりも十分大きい場合、第１抵抗ｒ１に流れる電流は、下記の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　この時、電流の正の向きはアノードからカソードに向かう順バイアスの方向である。上記式において、－ＶＢＤ（Ｔ）は第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０のブレークダウン電圧である。このとき、ノードＮの電圧ＶＮは、抵抗値Ｒ１による電圧降下により、下記の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　そうすると、第１ＡＰＤ１０に印加される電圧は、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、オーバー電圧ＶｏｖをＡＰＤに印加される逆バイアスとブレークダウン電圧との差として定義すると、第１ＡＰＤ１０のオーバー電圧Ｖｏｖ１は、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　前述のとおり、一般にＡＰＤの特性はオーバー電圧Ｖｏｖに依存する。光検出器１００では、上記数４に表されるように、第１ＡＰＤ１０のオーバー電圧Ｖｏｖ１が温度依存性を有しないため、第１ＡＰＤ１０の特性の温度依存性は、数式上は全くなくなる。つまり、第１ＡＰＤ１０の特性の温度依存性が低減される。
　なお、第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０とが同一のブレークダウン電圧であることが好ましいが、異なるブレークダウン電圧であってもよく、この場合、第１ＡＰＤ１０のオーバー電圧Ｖｏｖ１は、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　この場合でも第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０のブレークダウン電圧の温度変化が打ち消し合い、ブレークダウン電圧の温度変化が小さくなる。例えば、光検出器１００の使用温度範囲において、ブレークダウン電圧の差分（つまり、ＶＢＤ１（Ｔ）－ＶＢＤ２（Ｔ））の温度シフトが、オーバー電圧Ｖｏｖ１より小さければよい。典型的なＡＰＤでは、Ｖｏｖ１＝１～５Ｖに対し、温度シフトは、５０ｍＶ／Ｋである。動作温度範囲は、０℃～６０℃など数十度にわたるので、特性に影響がでるが、この発明により、温度変化を抑制できる。
　次に、図２Ａ及び図２Ｂを参照しながら、光検出器１００の抵抗値に対する要件について説明する。図２Ａは、ＡＰＤの特性をシミュレーションするための回路を示す図であり、ＡＰＤに並列に接続された容量の値がＣ、ＡＰＤに直列に接続された抵抗の値がＲである。図２Ｂは図２Ａの回路において抵抗を流れる電流のシミュレーションの結果を示す図である。
　図２Ｂの「高抵抗」と記載されたグラフに示されるように、ＡＰＤに直列接続された抵抗の抵抗値が大きい場合、いわゆるクエンチングにより、電流は過渡的に流れた後停止する。一方、図２Ｂの「低抵抗」と記載されたグラフに示されるように、ＡＰＤに直列接続された抵抗の値が小さい場合、定常的に電流が流れ続ける。
　このようなシミュレーション結果に基づけば、第２ＡＰＤ２０には定常電流が流れる必要があるため、第２ＡＰＤ２０に直列接続される抵抗である第１抵抗ｒ１、及び、第２抵抗ｒ２は、クエンチングを起こさないように、十分小さな抵抗値に設定される必要がある。典型的には、第１抵抗ｒ１の抵抗値Ｒ１、及び、第２抵抗ｒ２の抵抗値Ｒ２は、１０ｋΩ程度を下回る必要がある。
　また、第１ＡＰＤ１０は上述のクエンチングが起こる必要がある。そのため、第１ＡＰＤ１０に直列に接続される第３抵抗ｒ３の抵抗値Ｒ３は、１０ｋΩ以上である必要がある。ただし、各抵抗値の閾値は、ＡＰＤの構造、容量、及び、バイアス条件に依存するのでこの値に限定されるものではない。
　ここで、温度に対して光検出器のバイアス電圧をフィードバックする構成は、特許文献４および特許文献５でも記載がある。特許文献４では、温度依存性の分かっているトランジスタと定電流源を用いてバイアスを決定しているため、トランジスタと定電流源の温度特性を含めてデバイスおよびシステムを構成しなければならない。また、特許文献５は、ＡＰＤに流れる電流あるいは電圧をモニタし、フィードバック回路により、バイアスを変化させているため、回路構成が複雑になっている。
　これに対して、本発明は光検出器と同一の特性を持つＡＰＤを用いるだけであるため、簡素な構成で温度のフィードバックが可能である。また、同一の特性を持つＡＰＤを用いるため、温度特性のずれも考慮する必要がなくなるという利点がある。
　ここで、第１抵抗、第２抵抗、第３抵抗は、外付け抵抗、拡散抵抗、配線抵抗、トランジスタ抵抗、および、これらの任意の組み合わせであり、これに限定されない。
　また、第１ＡＰＤ１０と第３抵抗ｒ３の間、あるいは、第３抵抗ｒ３と電源Ｖｄｄの間に、第１ＡＰＤ１０の出力信号を増幅する増幅回路を備えてもよい。これにより、信号検出が容易になる。
　なお、上述のように、第２逆バイアスは、第１逆バイアスよりも絶対値が小さいため、第１ブレークダウン電圧及び第２ブレークダウン電圧が同程度であれば、第１逆バイアスの絶対値と第１ブレークダウン電圧の絶対値の差である第１オーバー電圧は、第２逆バイアスの絶対値と第２ブレークダウン電圧の絶対値の差である第２オーバー電圧より大きくなる。
　［光検出器の構造］
　次に、光検出器１００を同一チップ上に配置する場合の構造の一例について説明する。図３は、光検出器１００の平面図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線における光検出器１００の断面図である。なお、図３では、第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０の位置をわかりやすくするために、絶縁層１０４などの図示が省略されている。また、以下の説明では、第１の導電型は、Ｎ型であり、第２の導電型は、Ｐ型であるが、第１導電型がＰ型であり、第２導電型がＮ型であってもよい。
　光検出器１００は、半導体基板１０１と、第１半導体層１１と、第２半導体層１２と、第３半導体層２１と、第４半導体層２２と、遮光板２４と、導電体１０２と、配線１０３と、絶縁層１０４を備える。光検出器１００には、図の上方（導電体１０２と反対側）から光が入射する。
　半導体基板１０１は、第２導電型の層である。第１半導体層１１及び第２半導体層１２は、半導体基板１０１内に位置し、第１ＡＰＤ１０を形成する。第１半導体層１１は、第１導電型であり、第２半導体層１２は、第２導電型である。第１半導体層１１は、第２半導体層１２よりも上方（光が入射する側）に位置する。第１半導体層１１及び第２半導体層１２の境界部には、増倍領域１３（断面図中で破線で囲まれた部分）が形成される。増倍領域１３は、１個の信号電荷を多数に増倍させることができ、増倍領域１３によれば、１フォトンの微弱な光を検出することが可能になる。
　第３半導体層２１及び第４半導体層２２は、半導体基板１０１内に位置し、第２ＡＰＤ２０を形成する。第３半導体層２１は、第４半導体層２２よりも上方（光入射面側）に位置する。第３半導体層２１は、第１導電型であり、第４半導体層２２は、第２導電型である。第３半導体層２１及び第４半導体層２２の境界部には、増倍領域２３（断面図中で破線で囲まれた部分）が形成される。
　遮光板２４（図３では破線で図示）は、第３半導体層２１の上方に位置し、増倍領域２３を遮光する。遮光板２４は、半導体基板１０１よりも遮光性の高い材料によって形成される。遮光板２４は、例えば、金属材料によって形成される。遮光板２４は、配線層を利用してもよいし、複数の配線層を用いてもよい。平面視において、遮光板２４の面積は、第２ＡＰＤ２０（第３半導体層２１）よりも大きい。
　導電体１０２は、第２半導体層１２、及び、第４半導体層２２に、略同一の電位を与えるための部材である。導電体１０２は、半導体基板１０１の下面（光入射側と反対側の面）に配置され、当該下面を覆う。導電体１０２は、例えば、金属材料によって形成されるが、第２導電型の半導体によって形成されてもよい。第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０は、半導体基板１０１、または、半導体基板１０１の裏面に配置された導電体１０２を介して電気的に接続されている。
　配線１０３は、第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０のそれぞれを周辺回路などに電気的に接続するための配線である。配線１０３は、金属材料によって形成される。
　絶縁層１０４は、半導体基板１０１の上面（光入射面）を覆う、絶縁性、及び、透光性を有する膜である。絶縁層１０４は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）などによって形成される。
　このように光検出器１００は、同一の半導体基板１０１に第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０とが配置された構造を有する。これにより、単一のチップで第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０を同時に備えることができる。また、第１ＡＰＤ１０、第２ＡＰＤ２０は同一のプロセス条件で製造されることが好ましい。これにより、第１ブレークダウン電圧ＶＢＤ１と第２ブレークダウン電圧ＶＢＤ２が同一の値、同一の温度依存性を持つようになり、第１ＡＰＤ１０の特性の温度変動を抑制できる。
　また、第１半導体層１１と第３半導体層２１とが、略同一の濃度プロファイルとされ、第２半導体層１２と第４半導体層２２とが略同一の濃度プロファイルとされれば、第１ＡＰＤ１０のブレークダウン特性と第２ＡＰＤ２０のブレークダウン特性とを略同一とすることができる。これにより、上述したＶＢＤ１（Ｔ）－ＶＢＤ２（Ｔ）を０に近づけることができる。このとき、Ｖｓｕｂ－Ｖｄｄ＜ＶＢＤ１、Ｖｓｕｂ－Ｖ０＜ＶＢＤ２、Ｖｄｄ＞Ｖ０の関係を満たすようにバイアス電圧を設定することで、第１ＡＰＤ１０のオーバー電圧の温度依存性が低減される。なお、第１半導体層１１と第３半導体層２１とを、同一の不純物注入工程により形成することで、濃度プロファイルを略同一にしつつチップ製造工程を簡略化できる。第２半導体層１２及び第４半導体層２２についても同様である。
　第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０は分離部１０５によって分離される。分離部１０５は、半導体基板１０１の一部として、第２導電型の半導体層で形成される。これにより、暗電流の発生を低減し、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。分離部１０５は、当該分離部１０５においてブレークダウンが発生しないように、第２導電型の不純物濃度が低減される。分離部１０５の不純物濃度は、具体的には、第２半導体層１２の不純物濃度よりも低い不純物濃度である。なお、分離部１０５としては、他に、トレンチ構造などが用いられてもよく、分離部１０５の具体的構成については特に限定されない。
　また、図３に示されるように、平面視において、第１ＡＰＤ１０の面積は、第２ＡＰＤ２０の面積よりも大きい。これにより、光検出器１００の光感度または開口率が向上される。
　また、増倍領域１３の面積は、増倍領域２３の面積と略同一であってもよい。これにより、第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０のブレークダウン電圧を近づけることができる。このように、平面視において、第１ＡＰＤ１０の面積は、第２ＡＰＤ２０の面積以上であることが好ましい。
　図中では、第１半導体層１１と第２半導体層１２は、半導体基板１０１の水平方向における幅が同じ幅となっているが、必ずしも同じ幅でなくてもよい。また、第１半導体層１１及び第２半導体層１２の少なくとも一方は、特許文献４のように、端部の不純物濃度が低減されたいわゆるガードリング構造を有していてもよい。また、第１ＡＰＤ１０は、第１半導体層１１及び第２半導体層１２の間に真性半導体層が追加されたいわゆるＰＩＮ型のＡＰＤであってもよい。このように、本発明はＡＰＤのデバイス構造に限定されない。
　［遮光性を有する分離部を備える構造］
　光検出器１００は、遮光性を有する分離部を備えてもよい。図５は、遮光性を有する分離部を備える光検出器の平面図である。図６は、図５のＶＩ－ＶＩ線における光検出器の断面図である。なお、図５では、第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０の位置をわかりやすくするために、絶縁層１０４などの図示が省略されている。
　図５及び図６に示される光検出器１００ａは、光検出器１００に分離部１０５ａが追加された構造を有する。分離部１０５ａは、平面視において増倍領域２３を囲むように配置され、増倍領域１３と増倍領域２３との光クロストークを防ぐ構成であればよい。分離部１０５ａは、光の反射率が高い材料や、光の吸収率の高い材料によって形成されてもよい。例えば、半導体基板にトレンチを形成し、アルミニウムなどの金属を埋め込んでもよい。また、分離部１０５ａは、誘電率が異なる材料によって形成されてもよい。例えば、半導体基板にトレンチを形成し、シリコン窒化物、シリコン酸化物を埋め込んでもよい。また、分離部１０５ａにトレンチを形成する場合には、トレンチ部の表面は、表面を不活性化する保護膜で覆われていることが好ましい。ここで、保護膜は高濃度の不純物層などである。
　ＡＰＤでは、アバランシェ増倍により、空乏層内の電子・正孔数が増えるため、空乏層内での電子正孔対の再結合による光発生確率が増加する。第２ＡＰＤ２０には、定常的に電流が流れるために、再結合による光が生じやすい。発生した光が第１ＡＰＤ１０に入るとノイズになり、Ｓ／Ｎ比が低下する。遮光性の高い分離部１０５ａによればこのようなノイズが低減される。
　ここで、図示していないが、半導体基板１０１内で熱的に発生した電荷や、光検出領域の外で光電変換されて発生した電荷を排出する領域を半導体基板１０１内に設けてもよい。具体的には、第１導電型の半導体層を半導体基板表面に、第１ＡＰＤ１０あるいは第２ＡＰＤ２０あるいは第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０の両方を囲むように配置し、電源に接続し、電荷を排出できるようにする。これにより、ノイズを低減し、動作不良を防止できる。
　［第２導電型の半導体層が共有される構造］
　上述した光検出器（例えば、光検出器１００ａ）は、第１ＡＰＤ１０を構成する第２半導体層１２及び第２ＡＰＤ２０を構成する第４半導体層２２が一体形成されてもよい。つまり、第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０は、第２導電型の半導体層を共有してもよい。図７は、第２導電型の半導体層が共有される構造を有する光検出器の断面図である。
　図７に示される光検出器１００ｂが備える第２半導体層１０６は、第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０によって共有される第２導電型の半導体層であり、光検出器１００ａにおける第２半導体層１２及び第４半導体層２２が一体形成されたものに相当する。第２半導体層１０６は、第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０とを接続するようなイオン注入が行われることによって形成されてもよいし、半導体基板１０１の作成時に不純物濃度が調整されることによって形成されてもよい。
　このような第２半導体層１０６によれば、第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０とのブレークダウン電圧に差が生じることを抑制することができる。また、第２半導体層１０６の増倍領域１３（または増倍領域２３）を構成する部分がエピタキシャル成長で形成されれば、ノイズが低減される。
　図７では、第１半導体層１１及び第３半導体層２１よりも第２半導体層１０６が広く形成されるため、第１半導体層１１及び第３半導体層２１の端部に電界集中する懸念がある。そこで、第１半導体層１１及び第３半導体層２１は、中心部比べて周辺部が低濃度化するように不純物濃度の分布を与え、電界集中を防止することが好ましい。また、特許文献４のように、いわゆるガードリング構造を形成してもよい。
　［プロセス的に形成された抵抗体を備える構造］
　上述した光検出器（例えば、光検出器１００ｂ）において、第３抵抗ｒ３は、プロセス的に形成されてもよい。図８は、第３抵抗ｒ３に相当するプロセス的に形成された抵抗体を備える光検出器の平面図である。図９は、図８のＩＸ－ＩＸ線における光検出器の断面図である。なお、図８では、絶縁層１０４などの図示が省略されている。
　図８及び図９に示される光検出器１００ｃは、絶縁層１０４中に、第１ＡＰＤ１０に電気的に接続された抵抗体１０７を備える。抵抗体１０７は、ポリシリコンまたは酸化物などの高抵抗の材料によってプロセス的に形成される。
　なお、抵抗体１０７の形状は特に限定されない。例えば、抵抗体１０７は、第１ＡＰＤ１０の上方に配置され、渦形状（言い換えれば、巻回形状）を有していてもよい。図１０は、第３抵抗ｒ３に相当する渦形状の抵抗体１０７ｃを備える光検出器１００ｃの平面図である。図１１は、図１０のＸＩ－ＸＩ線における光検出器１００ｃの断面図である。なお、図１０では、絶縁層１０４などの図示が省略されている。抵抗値は抵抗体の長さに比例するため、抵抗体１０７ｃは、高抵抗化が容易である。
　［第１ＡＰＤがアレイ状に配列された構造１］
　上述した光検出器は、アレイ状に配列された複数の第１ＡＰＤ１０を備えてもよい。図１２は、アレイ状に配列された複数の第１ＡＰＤ１０を備える光検出器の回路構成を示す図である。図１２における矢印は、マイナスの極性の電流が流れる向きを示す。
　図１２に示される光検出器１００ｄは、１つの第２ＡＰＤ２０に対して、複数の第１ＡＰＤ１０を備える。複数の第１ＡＰＤ１０のそれぞれは、カソードが第３抵抗ｒ３を介してノードＮ２に電気的に接続されている。ノードＮ２には、電源Ｖｄｄが電気的に接続される。複数の第１ＡＰＤ１０のそれぞれは、アノードがノードＮに電気的に接続されている。ノードＮには、第２ＡＰＤ２０のアノードも電気的に接続される。アレイ状に配列された第１ＡＰＤ１０の数は特に限定されない。
　このような光検出器１００ｄは、複数個のフォトンが光検出器１００ｄに同時に入射した場合に、電流量あるいは電圧変化量に応じて、応答した第１ＡＰＤ１０の数を対応付け、入射フォトン数を求めることができる。また、光検出器１００ｄは、応答した第１ＡＰＤ１０の数を出力する回路を備えてもよい。
　次に、光検出器１００ｄの構造について説明する。図１３は、光検出器１００ｄの平面図である。図１４は、図１３のＸＩＶ－ＸＩＶ線における光検出器１００ｄの断面図である。なお、図１３では、絶縁層１０４などの図示が省略されている。
　光検出器１００ｄが備える複数の第１ＡＰＤ１０は、平面視においてマトリクス状に配置され、同一の列に属する第１ＡＰＤ１０は、同じ配線１０３に抵抗体１０７を介して電気的に接続されている。これにより、配線１０３の数が低減される。
　また、光検出器１００ｄが備える第２半導体層１０６は、複数の第１ＡＰＤ１０、及び、第２ＡＰＤ２０によって共有される第２導電型の半導体層である。第２半導体層１０６は、複数の第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０とを接続するようなイオン注入が行われることによって形成されてもよいし、半導体基板１０１の作成時に不純物濃度が調整されることによって形成されてもよい。
　このような第２半導体層１０６によれば、第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０とのブレークダウン電圧に差が生じることを抑制することができる。また、第２半導体層１０６の増倍領域１３（または増倍領域２３）を構成する部分がエピタキシャル成長で形成されれば、ノイズが低減される。
　図１４では、複数の第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０で第２半導体層１０６を共有する図を示しているが、複数の第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０のそれぞれが異なる第２半導体層１０６を備えてもよい。図１４において２つの隣り合う第１ＡＰＤ１０間は、ポテンシャルによって分離される。これにより、隣り合う第１ＡＰＤ１０感の電荷のオーバーフローが抑制され、出力の誤差が抑制される。ここで、隣り合う第１ＡＰＤ１０間は、空乏層で分離されることが好ましい。これにより、隣り合う第１ＡＰＤ１０の分離幅を縮め開口率を向上することができ、光感度を向上できる。また、隣り合う第１ＡＰＤ１０の間の分離領域には、トレンチやコンタクトを形成してもよく、上述のガードリング構造などを形成してもよい。
　第１ＡＰＤをアレイ状に配列する場合には、アレイ中央の第１ＡＰＤと、最外周の第１ＡＰＤ１０の電界プロファイルが異なり、ブレークダウン電圧が変化する場合がある。そのため、第１ＡＰＤ１０の内、アレイ最外周の第１ＡＰＤ１０の信号は利用されないことが好ましい。アレイ最外周の第１ＡＰＤ１０はブレークダウンしないように、アレイ最外周の第１ＡＰＤ１０は別電源ＶＯＵＴに接続され、ＶＯＵＴ＜Ｖｄｄとすることで、アレイ最外周の第１ＡＰＤ１０がブレークダウンしないようにすることが好ましい。
　［第１ＡＰＤがアレイ状に配列された構造２］
　アレイ状に配列された複数の第１ＡＰＤ１０の一端は、各々別の電源に接続されてもよい。図１５は、複数の第１ＡＰＤ１０のカソードの各々が別の電源に接続される、アレイ状に配列された複数の第１ＡＰＤ１０を備える光検出器の回路構成を示す図である。図１５における矢印は、マイナスの極性の電流が流れる向きを示す。
　図１５に示される光検出器１００ｅは、１つの第２ＡＰＤ２０に対して、複数の第１ＡＰＤ１０を備える。複数の第１ＡＰＤ１０のそれぞれは、カソードが第３抵抗ｒ３を介して電源Ｖｄｄｉ（ｉ＝１，２・・Ｎ）に電気的に接続されている。つまり、複数の第１ＡＰＤ１０は、カソードが互いに別の電源に電気的に接続されている。アレイ状に配列された第１ＡＰＤ１０の数は特に限定されない。
　このような光検出器１００ｅは、複数の第１ＡＰＤ１０のそれぞれを画素として使用し、画素ごとに信号を取得することができる。適当な光学系と組み合わせ、入射光を結像させ、複数の第１ＡＰＤ１０の座標と光出力を対応させることで、光検出器１００ｅは、撮像素子として利用することができる。
　次に、光検出器１００ｅの構造について説明する。図１６は、光検出器１００ｅの平面図である。図１７は、図１６のＸＶＩＩ－ＸＶＩＩ線における光検出器１００ｅの断面図である。なお、図１６では、絶縁層１０４などの図示が省略されている。
　光検出器１００ｅが備える複数の第１ＡＰＤ１０は、平面視においてマトリクス状に配置され、複数の第１ＡＰＤ１０は、互いに異なる配線１０３に電気的に接続されている。これにより、複数の第１ＡＰＤ１０のそれぞれに互いに異なる電源を電気的に接続することができる。
　また、光検出器１００ｅが備える第２半導体層１０６は、複数の第１ＡＰＤ１０、及び、第２ＡＰＤ２０によって共有される第２導電型の半導体層である。第２半導体層１０６は、複数の第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０とを接続するようなイオン注入が行われることによって形成されてもよいし、半導体基板１０１の作成時に不純物濃度が調整されることによって形成されてもよい。
　このような第２半導体層１０６によれば、第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０とのブレークダウン電圧に差が生じることを抑制することができる。また、第２半導体層１０６の増倍領域１３（または増倍領域２３）を構成する部分がエピタキシャル成長で形成されれば、ノイズが低減される。
　図１７では、複数の第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０で第２半導体層１０６を共有する図を示しているが、複数の第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０のそれぞれが異なる第２半導体層１０６を備えてもよい。
　図１７において２つの隣り合う第１ＡＰＤ１０間は、ポテンシャルによって分離される。これにより、隣り合う第１ＡＰＤ１０感の電荷のオーバーフローが抑制され、出力の誤差が抑制される。ここで、隣り合う第１ＡＰＤ１０間は、空乏層で分離されることが好ましい。これにより、隣り合う第１ＡＰＤ１０の分離幅を縮め開口率を向上することができ、光感度を向上できる。また、隣り合う第１ＡＰＤ１０の間の分離領域には、トレンチやコンタクトを形成してもよく、上述のガードリング構造などを形成してもよい。
　第１ＡＰＤ１０をアレイ状に配列する場合には、アレイ中央の第１ＡＰＤ１０と、最外周の第１ＡＰＤ１０の電界プロファイルが異なり、ブレークダウン電圧が変化する場合がある。そのため、第１ＡＰＤ１０の内、アレイ最外周の第１ＡＰＤ１０の信号は利用されないことが好ましい。アレイ最外周の第１ＡＰＤ１０はブレークダウンしないように、アレイ最外周の第１ＡＰＤ１０は別電源ＶＯＵＴに接続され、ＶＯＵＴ＜Ｖｄｄとすることで、アレイ最外周の第１ＡＰＤ１０がブレークダウンしないようにすることが好ましい。
　なお、図１８は、光検出器１００ｄまたは光検出器１００ｅのように第１ＡＰＤ１０がアレイ状に配列された光検出器における基板表面に水平な方向のポテンシャルを示す図で、図１４のＡ－Ａ’上のポテンシャル、図１７のＢ－Ｂ’上のポテンシャルに対応する。隣り合う第１ＡＰＤ１０がポテンシャルによって分離されれば、一つの第１ＡＰＤ１０で発生した電荷が隣接する第１ＡＰＤ１０に漏れることが抑制され、オーバーフローが発生しない。このため、光検出器１００ｄまたは光検出器１００ｅによって実現される撮像素子（言い換えれば、固体撮像素子）は、誤検出を防止でき、さらにブルーミングの無い画像出力を実現できる。特に、２つの第１ＡＰＤ１０の間の画素間分離領域が空乏化されていれば、分離領域の幅を狭め、開口率を向上し、光感度を高めることができる。
　また、第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０の間についてもポテンシャルで分離される。この領域は、ブレークダウンが起こらないように低電界領域とされる。
　（実施の形態２）
　［光検出器の回路構成］
　実施の形態２では、第３抵抗ｒ３に代えてトランジスタを備える光検出器について説明する。図１９は、実施の形態２に係る光検出器の回路構成を示す図である。
　図１９に示されるように、光検出器２００は、第１ＡＰＤ１０と、第２ＡＰＤ２０と、第１抵抗ｒ１と、第２抵抗ｒ２と、トランジスタ３０とを備える。なお、図１９では、第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０のアノード同士が電気的に接続されているが、カソード同士が電気的に接続されてもよい。
　図１９における矢印は、マイナスの極性の電流が流れる向きを示す。光検出器２００において、第１ＡＰＤ１０に印加される第１逆バイアスの絶対値は、第２ＡＰＤ２０に印加される第２逆バイアスの絶対値よりも大きい。
　トランジスタ３０は、Ｎチャネル型のトランジスタである。トランジスタ３０の抵抗値は、トランジスタ３０のゲート長及びゲート幅によって制御できるので、前述のクエンチングが可能な抵抗値になるように任意に設計することができる。また、トランジスタ３０のゲート電圧が制御されることで抵抗値を時間的に任意に変化させてもよい。例えば、露光時には、トランジスタ３０のゲートをオフにし、リセット時には、トランジスタのゲートをオンにする動作を行う。これにより、露光期間におけるトランジスタ３０の抵抗値は、リセット期間におけるトランジスタ３０の抵抗値よりも高くなるため、トランジスタ３０は、クエンチング素子として機能し、第１ＡＰＤ１０における増倍を瞬時に停止させることができる。なお、第１ＡＰＤ１０の露光期間には、トランジスタ３０の抵抗値が第１抵抗ｒ１の抵抗値よりも高くなる。
　図１９では、ＡＰＤのカソードにＮチャネルトランジスタを接続する構成を記載したが、Ｐ型とＮ型の極性を入れ替えた構成としてもよい。この場合、第３抵抗にはＰチャネルトランジスタが用いられるが、Ｐチャネルトランジスタは移動度が低いため、Ｎチャネルトランジスタよりも高抵抗を実現しやすく、第３抵抗ｒ３に求められる高抵抗を実現しやすい。ここで、図示してはいないが、第１抵抗ｒ１、第２抵抗ｒ２をトランジスタによって実現してもよい。
　［光検出器の構造］
　次に、図１９の回路図を実現するデバイス構成の一例として、光検出器２００の構造について説明する。図２０は、光検出器２００の平面図である。図２１は、図２０のＸＸＩ－ＸＸＩ線における光検出器２００の断面図である。なお、図２０では、絶縁層１０４などの図示が省略されている。
　光検出器２００は、半導体基板１０１と、第１半導体層１１と、第２半導体層１２と、遮光板２４と、導電体１０２と、配線１０３と、絶縁層１０４と、分離部１０５ａと、第２半導体層１０６と、トランジスタ３０とを備える。
　トランジスタ３０は、回路領域に形成される。回路領域は、例えば、第１導電型を有する第１ウェル１０８と、第２導電型を有する第２ウェル１０９とを備える領域である。トランジスタ３０は、第１導電型である。
　光検出器２００が備える複数の第１ＡＰＤ１０は、平面視においてマトリクス状に配置され、同一の列に属する第１ＡＰＤ１０は、同じ配線１０３にトランジスタ３０を介して電気的に接続されている。これにより、トランジスタ３０のオン及びオフにより、信号を読み出す第１ＡＰＤ１０（言い換えれば、信号を読み出す画素）を選択することができる。
　［Ｐチャネル型のトランジスタを有する構造］
　光検出器２００は、Ｎチャネル型のトランジスタ３０に代えて、Ｐチャネル型のトランジスタを備えてもよい。図２２は、このような光検出器の回路構成を示す図である。なお、図２２では、第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０のアノード同士が電気的に接続されているが、カソード同士が電気的に接続されてもよい。
　このようなＰチャネル型のトランジスタ３０ａを備える光検出器２００ａでは、第１ＡＰＤ１０において電荷が発生して第１ＡＰＤ１０のカソード電圧が変化すると、トランジスタ３０ａの抵抗が増大するため、クエンチングが起きやすくなる効果が得られる。
　図２３は、光検出器２００ａの平面図である。図２４は、図２３のＸＸＩＶ－ＸＸＩＶ線における光検出器２００ａの断面図である。なお、図２３では、絶縁層１０４などの図示が省略されている。
　トランジスタ３０ａは、回路領域に形成される。回路領域は、第１導電型を有するウェル１１０を備える領域である。トランジスタ３０ａは、第２導電型である。このように、Ｐチャネル型のトランジスタ３０ａを備える光検出器２００ａでは、Ｎチャネル型のトランジスタを備える光検出器２００よりもウェルの構造を簡素化して小さくすることができる。そうすると、第１ＡＰＤ１０の面積を増大させることができ、開口率を向上することができる。
　　[遮光板の形状の変形例]
　上述した光検出器の遮光板２４の変形例について述べる。図２５は、遮光板の形状の変形例を示す図である。遮光板２４は、図２５に示される光検出器２００ｂのように、第２ＡＰＤ２０に光入射が無いように、広く形成することが好ましい。特に、分離部１０５に形成された遮光部である分離部１０５ａまで覆われていることが好ましい。また、斜め光による第２ＡＰＤ２０への光の漏れこみが起こらないように、遮光板２４の最外周を囲むように、遮光性の物質で覆われていることが好ましい（遮光板の外壁２５）。これにより、第２ＡＰＤ２０の電流の変動がより小さくなり、ノードＮの電圧変動が低減し、特性がより安定する。この際、図２５のように、コンタクトや配線で遮光板の外壁２５を形成することで、容易に遮光板の外壁２５を形成できる。また、遮光板の外壁２５は配線層を用いずに別の材料で形成してもよい。図２５の通り、遮光性を高めるために、遮光板の外壁２５の基板水平方向の位置は遮光部である分離部１０５ａと一致していることが好ましいが、必ずしも一致していなくてよい。
　［画素回路の例１］
　上述した光検出器を用いた撮像素子にの画素回路について説明する。図２６は、画素回路の回路構成の一例を示す図である。
　図２６に示される画素回路４００は、第１ＡＰＤ１０と、垂直走査回路４０６と、読み出し回路４０７と、水平走査回路４０８と、バッファアンプ４０９と、リセットトランジスタ４１０と、ソースフォロワトランジスタ４１１と、選択トランジスタ４１２と、浮遊拡散容量４１３とを備える。
　まず、リセットトランジスタ４１０によってリセット処理が行われる。その後、垂直走査回路４０６および水平走査回路４０８によって第１ＡＰＤ１０が選択され、選択された第１ＡＰＤ１０によって検出された信号電荷は、浮遊拡散容量４１３に転送される。続いて、信号電荷の量に対応する信号がソースフォロワトランジスタ４１１によって増幅され、選択トランジスタ４１２を介して読み出し回路４０７に伝送される。伝送された信号は読み出し回路４０７からバッファアンプ４０９を経て信号処理回路（図示せず）に出力され、信号処理回路（図示せず）でホワイトバランス等の信号処理が施された後にディスプレイ（図示せず）またはメモリ（図示せず）に転送される。この結果、信号を画像化することが可能となる。
　このような画素回路４００を構成するリセットトランジスタ４１０、ソースフォロワトランジスタ４１１、及び、選択トランジスタ４１２は、例えば、図２７のように配置される。図２７は、リセットトランジスタ４１０、ソースフォロワトランジスタ４１１、及び、選択トランジスタ４１２の配置の一例を示す平面図である。
　図２８に図２７に記載の回路の駆動例を示す。図中の実線は電圧を示しており、４１０および４１２はそれぞれリセットトランジスタ４１０のゲート電圧、選択トランジスタ４１２のゲート電圧を示しており、出力は、垂直信号線からの出力を示している。記号ＨとＬはそれぞれ、高電圧、低電圧の二状態を意味している。各フレームには、リセット期間と露光期間が含まれる。リセット期間では、リセットトランジスタ４１０のゲート電圧がＨに設定され、リセットトランジスタ４１０がオンし、第１ＡＰＤ１０にバイアスが印加される。露光期間では、リセットトランジスタ４１０のゲート電圧がＬに設定され、リセットトランジスタ４１０がオフし、第１ＡＰＤ１０と電源が切り離される。露光期間中に光入射すると出力電圧が変動し、光検出される。これにより、第１ＡＰＤ１０からの出力がソースフォロワトランジスタ４１１によって増幅され、大きな出力を得ることができる。
　ここでは、リセットトランジスタ４１０が第３抵抗として機能している。図３５の回路図から、リセットトランジスタ４１０を抵抗としてもよい。
　［画素回路の例２］
　上述した撮像素子において用いられる画素回路の別の例について説明する。図２９は、画素回路の回路構成の別の一例を示す図である。
　図２９に示される画素回路４００ａは、画素回路４００に転送トランジスタ４０２が追加された回路構成を有する。転送トランジスタ４０２は、第１ＡＰＤ１０によって検出された信号電荷を、浮遊拡散容量４１３に転送する。
　また、画素回路は上記に限定されるものではない。例えば、画素内にメモリやアナログデジタル変換回路を搭載してもよい。また、光検出のタイミングを出力できる回路構成が設けられてもよい。
　［第２ＡＰＤがアレイ状に配列された構造］
　上述した光検出器は、アレイ状に配列された複数の第２ＡＰＤ２０を備えてもよい。図３０は、アレイ状に配列された複数の第２ＡＰＤ２０を備える光検出器の平面図である。なお、図３０では、絶縁層１０４などの図示が省略されている。
　図３０に示される光検出器２００ｄは、複数の第２ＡＰＤ２０がアレイ状に配列された構造を有している。その他は、光検出器２００に近い構造となっている。
　複数の第２ＡＰＤ２０のそれぞれは、第１ＡＰＤ１０と同様の構造を有していることが好ましい。第１ＡＰＤ１０の構造と第２ＡＰＤ２０の構造とが異なる場合、第２ＡＰＤ２０の端部の形状などに起因して、上述したＶＢＤ１（Ｔ）とＶＢＤ２（Ｔ）との差が大きくなる懸念があるが、複数の第２ＡＰＤ２０のそれぞれが第１ＡＰＤ１０と同様の構造を有することで、ＶＢＤ１（Ｔ）とＶＢＤ２（Ｔ）との差を小さくすることができる。
　ところで、第２ＡＰＤとして使用するためにアレイ状に配列された複数のＡＰＤを形成した場合、これらのうち最外周に位置するＡＰＤは、電界集中が発生しやすく、第１ＡＰＤ１０と異なるブレークダウン特性が現れやすい。例えば、最外周に位置するＡＰＤは、中央部に位置するＡＰＤよりもブレークダウン電圧が高くなる。そこで、アレイ状に配列された複数のＡＰＤのうち最外周に位置するＡＰＤは、第２ＡＰＤ２０として使用せず、アレイ状に配列された複数のＡＰＤのうち中央部に位置するＡＰＤのみが第２ＡＰＤ２０として使用されてもよい。図３１は、このような光検出器の平面図である。なお、図３１では、絶縁層１０４などの図示が省略されている。
　図３１に示される光検出器２００ｅは、アレイ状に配列された複数の第１ＡＰＤ１０とは別に、アレイ配列された複数のＡＰＤを備えるが、このうち最外周でない破線で囲まれたＡＰＤだけが第２ＡＰＤ２０として使用され、ブレークダウンされる。その他のＡＰＤ（最外周のＡＰＤ）は、第２ＡＰＤ２０よりも小さい逆バイアスが印加されることでブレークダウンされない。
　このように、光検出器２００ｅは、複数の第１ＡＰＤ１０と異なる位置に、アレイ状に配列された複数のＡＰＤを備え、第２ＡＰＤ２０は、複数のＡＰＤのうち最外周以外の場所（例えば、中央部）に位置するＡＰＤである。言い換えれば、第２ＡＰＤ２０は、複数のＡＰＤのうち最外周に位置しないＡＰＤである。このような構成によれば、上述したＶＢＤ１（Ｔ）とＶＢＤ２（Ｔ）との差を小さくすることができる。
　なお、上述のように、第２ＡＰＤ２０は、第１ＡＰＤ１０と同じ構造とされるほうがよい。そこで、光検出器２００ｅは、アレイ状に配列された複数のＡＰＤを備え、第１ＡＰＤ１０は、複数のＡＰＤのうち最外周以外の場所（例えば、中央部）に位置するＡＰＤであってもよい。つまり、第１ＡＰＤ１０についても、最外周に位置しないＡＰＤが用いられてもよい。
　（実施の形態３）
　［撮像素子におけるＡＰＤの配置例１］
　実施の形態３では、上述した光検出器が撮像素子（言い換えれば、イメージセンサ）として実現される場合の、第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０の全体的な配置について説明する。図３２は、撮像素子における第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０の配置例１を示す平面図である。
　図３２に示される撮像素子３００は、基板あるいは基板から切り出した領域である領域３０１と、読み出し回路３０２と、走査回路３０３とを備える。
　領域３０１の主面の中央部は、複数の第１ＡＰＤ１０が配置される第１領域３０４であり、第１領域３０４は、２か所に分かれた読み出し回路３０２の間であって、かつ、２か所に分かれた走査回路３０３の間に位置する。つまり、第１領域３０４は、読み出し回路３０２及び走査回路３０３によって囲まれている。ここで、光学系構築の観点から、第１領域３０４は領域３０１の中央に配置することが好ましいが、必ずしも中央である必要はない。
　領域３０１の主面の右上のコーナ部に、１以上の第２ＡＰＤ２０が配置される第２領域３０５が含まれる。この時、第１領域３０４と第２領域３０５は隣接していないことが好ましい。これにより、第２領域３０５に起因する第１領域へのノイズを低減できる。ここでノイズとは、例えば、電子正孔の再結合光などであり、誤検出の要因となるものを指す。また、第１領域３０４の面積は、第２領域３０５の面積よりも大きいことが好ましい。これにより、第１領域の面積を縮小せず、第２ＡＰＤ２０の面積を縮小し、光感度を低減することなく、第２ＡＰＤ２０を同一チップ内に配置できる。
　図３２中において、第２領域３０５は右上の領域のみに配置したが、チップの四隅の４か所に配置してもよい。これにより、チップ面内での電圧の不均一を低減し、第１ＡＰＤアレイ内の電圧を一様にすることができ、具体的な配置については限定しない。
　このように、撮像素子３００においては、第１領域３０４は、領域３０１の主面の中央部に設けられ、第２領域３０５は、領域３０１の主面の角部に設けられる。
　［撮像素子におけるＡＰＤの配置例２］
　図３３は、撮像素子における第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０の配置例２を示す平面図である。図３３に示される撮像素子３００ａは、領域３０１と、読み出し回路３０２と、走査回路３０３とを備える。
　領域３０１の主面の中央部は、複数の第１ＡＰＤ１０が配置される第１領域３０４ａ、及び、１以上の第２ＡＰＤ２０が配置される第２領域３０５ａに区分けされる。第１領域３０４ａ及び第２領域３０５ａは、２か所に分かれた読み出し回路３０２の間であって、かつ、２か所に分かれた走査回路３０３の間に位置する。つまり、第１領域３０４ａ及び第２領域３０５ａは、読み出し回路３０２及び走査回路３０３によって囲まれている。第１領域３０４ａの面積は、第２領域３０５ａの面積よりも大きいことが好ましい。
　第１領域３０４ａ及び第２領域３０５ａは、隣接している。なお、隣接の仕方は特に限定されない。第１領域３０４ａ及び第２領域３０５ａは、図３３のように横方向に並んで配置していてもよいし、図示されないが縦方向に並んで配置していてもよい。
　第２領域に起因する第１領域へのノイズがほとんど無視できる場合には、このような配置とすることが好ましい。第１領域３０４ａ及び第２領域３０５ａを隣接することによって、第１ＡＰＤ１０および第２ＡＰＤ２０の領域を縮小でき、チップの小型化が可能である。
　このように、撮像素子３００ａにおいては、第１領域３０４ａ、及び、第２領域３０５ａは、いずれも領域３０１の主面の中央部に設けられ、第１領域３０４ａ及び第２領域３０５ａは、隣接する。
　［撮像素子におけるＡＰＤの配置例３］
　図３４は、撮像素子における第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０の配置例３を示す平面図である。図３４に示される撮像素子３００ｂは、領域３０１と、読み出し回路３０２と、走査回路３０３とを備える。
　領域３０１の平面視形状は、矩形である。領域３０１の主面の中央部は、複数の第１ＡＰＤ１０が配置される第１領域３０４ｂ、及び、１以上の第２ＡＰＤ２０が配置される第２領域３０５ｂに区分けされる。第１領域３０４ｂ及び第２領域３０５ｂは、２か所に分かれた読み出し回路３０２の間であって、かつ、２か所に分かれた走査回路３０３の間に位置する。つまり、第１領域３０４ｂ及び第２領域３０５ｂは、読み出し回路３０２及び走査回路３０３によって囲まれている。
　第１領域３０４ｂは、矩形の領域であり、第２領域３０５ｂは、第１領域３０４ａに隣接し、第１領域３０４ｂを囲む矩形環状の領域である。第１領域３０４ｂの面積は、第２領域３０５ｂの面積よりも大きいことが好ましい。第２領域に起因する第１領域へのノイズがほとんど無視できる場合には、このような配置とすることが、より好ましい。第１領域３０４ｂを第２領域３０５ｂで囲むことによって、チップの小型化がさらに可能である。また、第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０の構造を同一あるいは似た構造にすることで、第１ＡＰＤ１０の最外周の電界集中を防ぐことができる。
　このように、撮像素子３００ｂにおいては、第１領域３０４ｂ、及び、第２領域３０５ｂは、いずれも領域３０１の主面の中央部に設けられ、第２領域３０５ｂは、第１領域３０４ｂを囲む。
　ここで、図３２～図３４では、各領域を矩形で示しているが、形状を限定するものではない。また、第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０の配置の関係性の一例を示しているにすぎず、本発明を限定するものではない。
　（実施の形態４）
　［裏面照射型の構造］
　実施の形態４では、上述した光検出器２００を裏面照射型とした場合について説明する。図３５は、裏面照射型の光検出器の断面図の一例である。光検出器２００ｆは、半導体基板１０１と、第１半導体層１１と、第２半導体層１２と、遮光板２４と、導電体１０２と、配線１０３と、絶縁層１０４と、分離部１０５ａと、第２半導体層１０６と、トランジスタ３０と、半導体基板１０１の裏面に備えられる裏面保護層５０１を備える。
　トランジスタ３０は、回路領域に形成される。回路領域は、例えば、第１導電型を有する第１ウェル１０８と、第２導電型を有する第２ウェル１０９とを備える領域である。トランジスタ３０は、第１導電型である。
　光検出器２００が備える複数の第１ＡＰＤ１０は、図示していないが、平面視においてマトリクス状に配置され、同一の列に属する第１ＡＰＤ１０は、同じ配線１０３にトランジスタ３０を介して電気的に接続されている。これにより、トランジスタ３０のオン及びオフにより、信号を読み出す第１ＡＰＤ１０（言い換えれば、信号を読み出す画素）を選択することができる。
　遮光板２４は裏面保護層５０１に埋め込まれ、第２ＡＰＤ２０への光照射を防止している。
　裏面照射型とすることにより、光入射面の絶縁層の低背化が可能となり、光感度が向上する。
　また、裏面照射型とし、回路領域を別ウエハに形成し、ウエハ接合を行った場合について説明する。図３６は、ウエハ接合型の光検出器の断面図の一例である。光検出器２００ｇは、半導体基板１０１と、第１半導体層１１と、第２半導体層１２と、遮光板２４と、導電体１０２と、配線１０３と、絶縁層１０４と、分離部１０５ａと、第２半導体層１０６と、トランジスタ３０と、半導体基板１０１の裏面に備えられる裏面保護層５０１と、第２半導体基板５０２を備える。
　回路領域は、第２半導体基板５０２に形成される。回路領域は、第２導電型を有する第２ウェル１０９を備える領域である。トランジスタ３０は、第１導電型である。この場合、半導体基板１０１の裏面には、第１ＡＰＤ１０および第２ＡＰＤ２０がブレークダウンするようにＶｓｕｂが印加されるが、第２半導体基板５０２の裏面は任意の電圧に固定できるので、第１ウェル１０８は不要となる。
　これにより、第１ＡＰＤ１０の面積が拡大し、開口率が向上するので、光感度を高めることができる。
　また、絶縁層１０４にも第２遮光板５０３を形成することが好ましい。これにより、第２ＡＰＤ２０の領域に入射した光や、第２ＡＰＤ２０で発生した光が絶縁層１０４と第２半導体基板５０２の界面で反射し、第１ＡＰＤ１０に漏れこむことを防止できる。
　この際、図３６のように、第２遮光板５０３の周囲（第２遮光板の外壁５０４）をコンタクトや配線で形成することが好ましい。これにより、追加の工程なしに第２遮光板の外壁５０４を形成できる。第２遮光板の外壁５０４は配線層を用いずに別の材料で形成してもよい。また、図３６の通り、遮光性を高めるために、遮光板の外壁２５の基板水平方向の位置は分離部１０５ａと一致していることが好ましいが、必ずしも一致していなくてよい。
　（実施の形態５）
　［光検出器の製造方法］
　実施の形態５では、上述した光検出器２００ａの製造方法について説明する。図３７Ａ～図３７Ｍは、光検出器２００ａの製造方法を説明するための断面図である。なお、上述した光検出器２００ａ以外の他の光検出器の製造方法は、光検出器２００ａの製造方法を適宜変形することで得られる。
　まず、図３７Ａ及び図３７Ｂに示されるように、基板をエピタキシャル成長させることにより、第２半導体層１０６、及び、半導体基板１０１が形成される。第２半導体層１０６における不純物濃度は、半導体基板１０１における不純物濃度よりも高い。
　次に、図３７Ｃに示されるように、半導体基板１０１にヒ素及びリンなどの不純物がイオン注入されることにより、第１半導体層１１及び第３半導体層２１が形成される。
　次に、図３７Ｄに示されるように、半導体基板１０１にボロンなどの不純物がイオン注入されることにより、ウェル１１０が形成される。
　次に、図３７Ｅに示されるように、分離部１０５ａを形成するためのエッチングが行われ、図３７Ｆに示されるように、エッチングにより形成された穴（溝）に半導体基板１０１よりも光透過率の低い材料が埋め込まれることで分離部１０５ａが形成される。つまり、第１ＡＰＤ１０と第３抵抗ｒ３との間に第１ＡＰＤ１０の領域よりも光の透過率の低い物質が配置される。
　次に、図３７Ｇに示されるように、ウェル１１０にトランジスタ３０ａが形成された後、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、半導体基板１０１上に絶縁層１０４の一部が堆積される。続いて、図３７Ｈに示されるように、リソグラフィ法により、配線溝（トレンチ）及びビアのパターニングが行われた後、ドライエッチング法により、絶縁層の内部にトレンチとビアとが形成される。続いて、物理気相成長（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、トレンチ及びビアの内壁面に、Ｃｕの拡散を抑制するバリア膜と、電解めっきの際に電流を流すためのＣｕシード層とが堆積される。その後、Ｃｕ電解めっき法により、トレンチ及びビアの中にＣｕ膜が埋め込まれる。
　次に、図３７Ｉに示されるように、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法によって、表面の余剰なＣｕ膜とバリア膜とが除去されることにより、配線１０３が形成される。
　次に、図３７Ｊに示されるように化学気相成長により、絶縁層の一部がさらに堆積され、図３７Ｋに示されるように、その上に遮光層が形成される。図３７Ｌに示されるように、遮光層がエッチングされることで遮光板２４が形成される。最後に、図３７Ｍに示されるように、化学気相成長により、絶縁層の一部がさらに堆積されることで、絶縁層１０４が形成される。
　（効果など）
　以上説明したように、光検出器１００は、入射光に対して感度を有する第１ＡＰＤ１０と、第１ＡＰＤ１０よりも電流値の振れ幅の小さい第２ＡＰＤ２０とを備える。第１ＡＰＤ１０の一方の端子は、第２ＡＰＤ２０の一方の端子に電気的に接続され、第１ＡＰＤ１０の他方の端子、及び、第２ＡＰＤ２０の他方の端子は、互いに異なる電源に接続され、第１ＡＰＤ１０の一方の端子、及び、第２ＡＰＤ２０の一方の端子は、いずれもアノードであるか、または、いずれもカソードである。
　このような光検出器１００は、第２ＡＰＤ２０を流れる一定の電流により、第１ＡＰＤ１０の特性の温度依存性を低減することができる。
　また、例えば、第１ＡＰＤ１０には、第１ＡＰＤ１０の第１ブレークダウン電圧よりも絶対値が大きい第１逆バイアスが印加され、第２アバランシェフォトダイオードには、第２ＡＰＤ２０の第２ブレークダウン電圧よりも絶対値が大きい第２逆バイアスが印加される。
　これにより、第１ＡＰＤ１０を光検出用のＡＰＤとして使用し、第２ＡＰＤ２０を第１ＡＰＤ１０の特性の温度依存性を低減するための温度フィードバック用ＡＰＤとして使用することが容易となる。
　また、例えば、第１ＡＰＤ１０の一方の端子、及び、第２ＡＰＤ２０の一方の端子は、第１抵抗ｒ１を介して第１電源に接続され、第２ＡＰＤ２０の他方の端子は、第２抵抗ｒ２を介して第２電源に接続され、第１ＡＰＤ１０の他方の端子は、第３抵抗ｒ３を介して第３電源に接続され、第３抵抗の抵抗値は、第１抵抗の抵抗値、及び、第２抵抗の抵抗値のいずれよりも高い。
　これにより、第１ＡＰＤ１０を光検出用のＡＰＤとして使用し、第２ＡＰＤ２０を第１ＡＰＤ１０の特性の温度依存性を低減するための温度フィードバック用ＡＰＤとして使用することが容易となる。
　また、例えば、第３抵抗ｒ３は、クエンチング素子として機能することにより第１ＡＰＤ１０における増倍を過渡的に停止させ、第１抵抗ｒ１及び第２抵抗ｒ２は、クエンチング素子として機能せずに第２ＡＰＤ２０に定常電流を流す。
　このような光検出器１００は、第３抵抗ｒ３により、増倍を停止させることができる。
　また、例えば、第１逆バイアスの絶対値と第１ブレークダウン電圧の絶対値の差である第１オーバー電圧が、第２逆バイアスの絶対値と第２ブレークダウン電圧の絶対値の差である第２オーバー電圧より大きい。
　また、例えば、第１ＡＰＤ１０の一方の端子、及び、第２ＡＰＤ２０の一方の端子は、第１抵抗ｒ１を介して第１電源に接続され、第２ＡＰＤ２０の他方の端子は、第２抵抗ｒ２を介して第２電源に接続され、第１ＡＰＤ１０の他方の端子は、トランジスタ３０を介して第３電源に接続され、第１ＡＰＤ１０の露光期間には、トランジスタ３０の抵抗値が第１抵抗ｒ１の抵抗値よりも高い。
　これにより、第１ＡＰＤ１０を光検出用のＡＰＤとして使用し、第２ＡＰＤ２０を第１ＡＰＤ１０の特性の温度依存性を低減するための温度フィードバック用ＡＰＤとして使用することが容易となる。
　また、例えば、トランジスタ３０は、クエンチング素子として機能することにより第１ＡＰＤ１０における増倍を過渡的に停止させ、第１抵抗ｒ１及び第２抵抗ｒ２は、クエンチング素子として機能せずに第２ＡＰＤ２０に定常電流を流す。
　このような光検出器１００は、トランジスタ３０により、増倍を停止させることができる。
　また、例えば、トランジスタ３０の抵抗値は、ゲート電圧によって制御され、リセット期間には、第１ＡＰＤ１０に逆バイアスが印加され、露光期間におけるトランジスタ３０の抵抗値は、リセット期間におけるトランジスタ３０の抵抗値よりも高い。
　このような光検出器２００は、トランジスタ３０における電圧降下により、クエンチングを発生させることができる。
　また、例えば、第１ＡＰＤ１０と第３抵抗ｒ３との間に第１ＡＰＤ１０の領域よりも光の透過率の低い物質が配置される。
　これにより、信号検出が容易になる。
　また、例えば、第２ＡＰＤ２０は遮光されている。
　これにより、第２ＡＰＤ２０に入射光によらずに一定の電流を流すことができる。
　また、例えば、第１ＡＰＤ１０、及び、第２ＡＰＤ２０は、同一の半導体基板１０１に配置される。
　これにより、同じプロセスで第１ＡＰＤ１０及び第２ＡＰＤ２０を同時に作製することができるため第１ＡＰＤ１０の特性と第２ＡＰＤ２０特性とを近づけることができる。第１ＡＰＤ１０の特性と第２ＡＰＤ２０特性とが近づけば、ＡＰＤの特性の温度依存性を効果的に低減することができる。
　また、光検出器１００では、第１ＡＰＤ１０は、第１導電型の第１半導体層１１と、第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層１２とによって形成される。第２ＡＰＤ２０は、第１導電型の第３半導体層２１と、第２導電型の第４半導体層２２とによって形成される。光検出器１００は、さらに、第２半導体層１２、及び、第４半導体層２２に、略同一の電位を与えるための導電体１０２を備える。
　このような光検出器１００は、第２半導体層１２、及び、第４半導体層２２に、略同一の電位を与えることができる。
　また、例えば、導電体１０２は、第２導電型の半導体層である。
　このような光検出器１００は、導電体１０２として第２導電型の半導体層を用いることにより、第２半導体層１２、及び、第４半導体層２２に、略同一の電位を与えることができる。
　また、光検出器１００ａでは、第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０とは光学的に分離される。
　このような光検出器１００ａは、第２ＡＰＤ２０において電子・正孔の再結合によって生じた光が第１ＡＰＤ１０に入ることを抑制することができる。
　また、光検出器１００ｄは、アレイ状に配列された複数の第１ＡＰＤ１０を備える。
　このような光検出器１００ｄは、第１ＡＰＤ１０を画素として使用する撮像素子として機能することができる。
　また、例えば、光検出器は、アレイ状に配列された複数のＡＰＤを備える。第１ＡＰＤ１０は、複数のＡＰＤのうち、最外周以外の場所に位置するＡＰＤである。
　また、光検出器２００ｄは、アレイ状に配列された複数の第２ＡＰＤ２０を備える。
　このような光検出器２００ｄにおいては、複数の第２ＡＰＤ２０が複数の第１ＡＰＤ１０と同様の構造を有することで、第１ＡＰＤ１０の特性と第２ＡＰＤ２０特性とが近づけられる。第１ＡＰＤ１０の特性と第２ＡＰＤ２０特性とが近づけば、第１ＡＰＤ１０の特性の温度依存性を効果的に低減することができる。
　また、光検出器２００ｅは、複数の第１ＡＰＤ１０と異なる位置に、アレイ状に配列された複数のＡＰＤを備える。第２ＡＰＤ２０は、複数のＡＰＤのうち最外周以外の場所に位置するＡＰＤである。
　このような光検出器２００ｅにおいては、複数のＡＰＤのうち第１ＡＰＤ１０に近い特性を有するＡＰＤが第２ＡＰＤ２０として使用されやすくなるため、第１ＡＰＤ１０の特性の温度依存性を効果的に低減することができる。
　また、複数のＡＰＤのうち、最外周に位置するＡＰＤは、第１ＡＰＤ１０、および第２ＡＰＤ２０よりブレークダウン電圧が高い。
　また、光検出器１００ｂでは、第１ＡＰＤ１０は、第１導電型の第１半導体層１１と、第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層１０６とによって形成され、第２ＡＰＤ２０は、第１導電型の第３半導体層２１と、第２半導体層１０６とによって形成される。
　このような第２半導体層１０６によれば、第１ＡＰＤ１０と第２ＡＰＤ２０とのブレークダウン電圧に差が生じることが抑制され、第１ＡＰＤ１０の特性の温度依存性を効果的に低減することができる。
　また、第２半導体層１０６は、エピタキシャル成長により形成される。
　このように、第２半導体層１０６は、エピタキシャル成長によって容易に形成することができる。
　また、光検出器１００では、平面視において、第１ＡＰＤ１０の面積は、第２ＡＰＤ２０の面積よりも大きい。
　これにより、光検出器１００の光感度または開口率が向上される。
　（その他の実施の形態）
　以上、実施の形態に係る光検出器について説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。
　例えば、上記実施の形態において説明に用いられた数字は、全て本開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された数字に制限されない。
　また、上記実施の形態では、光検出器が有する積層構造の各層を構成する主たる材料について例示しているが、光検出器が有する積層構造の各層には、上記実施の形態の積層構造と同様の機能を実現できる範囲で他の材料が含まれてもよい。また、図面においては、各構成要素の角部及び辺は直線的に記載されているが、製造上の理由などにより、角部及び辺が丸みを帯びたものも本開示に含まれる。
　その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。例えば、本開示は、光検出器の製造方法として実現されてもよい。
　本開示の光検出器は、温度依存性が低減された光検出器として有用である。
　１０　第１ＡＰＤ（第１アバランシェフォトダイオード）
　１１　第１半導体層
　１２　第２半導体層
　１３　増倍領域
　２０　第２ＡＰＤ（第２アバランシェフォトダイオード）
　２１　第３半導体層
　２２　第４半導体層
　２３　増倍領域
　２４　遮光板
　３０、３０ａ　トランジスタ
　１００、１００ａ～１００ｅ、２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｄ～２００ｆ　光検出器
　１０１　半導体基板
　１０２　導電体
　１０３　配線
　１０４　絶縁層
　１０５、１０５ａ　分離部
　１０６　第２半導体層
　１０７、１０７ｃ　抵抗体
　１０８　第１ウェル
　１０９　第２ウェル
　１１０　ウェル
　１１５　第５半導体層
　１１６　第６半導体層
　３００、３００ａ、３００ｂ　撮像素子
　３０１　基板
　３０２　読み出し回路
　３０３　走査回路
　３０４、３０４ａ、３０４ｂ　第１領域
　３０５、３０５ａ、３０５ｂ　第２領域
　４００、４００ａ　画素回路
　４０２　転送トランジスタ
　４０６　垂直走査回路
　４０７　読み出し回路
　４０８　水平走査回路
　４０９　バッファアンプ
　４１０　リセットトランジスタ
　４１１　ソースフォロワトランジスタ
　４１２　選択トランジスタ
　４１３　浮遊拡散容量
　５０１　裏面保護層
　５０２　第２半導体基板
　５０３　第２遮光板
　５０４　外壁

Claims (21)

  1. 　入射光に対して感度を有する第１アバランシェフォトダイオードと、
    　第１アバランシェフォトダイオードよりも電流値の振れ幅の小さい電流が流れる第２アバランシェフォトダイオードとを備え、
    　前記第１アバランシェフォトダイオードの一方の端子は、前記第２アバランシェフォトダイオードの一方の端子に電気的に接続され、
    　前記第１アバランシェフォトダイオードの他方の端子、及び、前記第２アバランシェフォトダイオードの他方の端子は、互いに異なる電源に接続され、
    　前記第１アバランシェフォトダイオードの前記一方の端子、及び、前記第２アバランシェフォトダイオードの前記一方の端子は、いずれもアノードであるか、または、いずれもカソードである
    　光検出器。
  2. 　前記第１アバランシェフォトダイオードには、前記第１アバランシェフォトダイオードの第１ブレークダウン電圧よりも絶対値が大きい第１逆バイアスが印加され、
    　前記第２アバランシェフォトダイオードには、前記第２アバランシェフォトダイオードの第２ブレークダウン電圧よりも絶対値が大きい第２逆バイアスが印加される
    　請求項１に記載の光検出器。
  3. 　前記第１アバランシェフォトダイオードの前記一方の端子、及び、前記第２アバランシェフォトダイオードの前記一方の端子は、第１抵抗を介して第１電源に接続され、
    　前記第２アバランシェフォトダイオードの前記他方の端子は、第２抵抗を介して第２電源に接続され、
    　前記第１アバランシェフォトダイオードの前記他方の端子は、第３抵抗を介して第３電源に接続され、
    　前記第３抵抗の抵抗値は、前記第１抵抗の抵抗値、及び、前記第２抵抗の抵抗値のいずれよりも高い
    　請求項２に記載の光検出器。
  4. 　前記第３抵抗は、クエンチング素子として機能することにより前記第１アバランシェフォトダイオードにおける増倍を過渡的に停止させ、
    　前記第１抵抗及び前記第２抵抗は、クエンチング素子として機能せずに前記第２アバランシェフォトダイオードに定常電流を流す
    　請求項３に記載の光検出器。
  5. 　前記第１逆バイアスの絶対値と前記第１ブレークダウン電圧の絶対値の差である第１オーバー電圧が、
    　前記第２逆バイアスの絶対値と前記第２ブレークダウン電圧の絶対値の差である第２オーバー電圧より大きい、
    　請求項４に記載の光検出器。
  6. 　前記第１アバランシェフォトダイオードの前記一方の端子、及び、前記第２アバランシェフォトダイオードの前記一方の端子は、第１抵抗を介して第１電源に接続され、
    　前記第２アバランシェフォトダイオードの前記他方の端子は、第２抵抗を介して第２電源に接続され、
    　前記第１アバランシェフォトダイオードの前記他方の端子は、トランジスタを介して第３電源に接続され、
    　前記第１アバランシェフォトダイオードの露光期間には、前記トランジスタの抵抗値が前記第１抵抗の抵抗値よりも高い
    　請求項２～５のいずれか１項に記載の光検出器。
  7. 　前記トランジスタは、クエンチング素子として機能することにより前記第１アバランシェフォトダイオードにおける増倍を過渡的に停止させ、
    　前記第１抵抗及び前記第２抵抗は、クエンチング素子として機能せずに前記第２アバランシェフォトダイオードに定常電流を流す
    　請求項６に記載の光検出器。
  8. 　前記トランジスタの抵抗値は、ゲート電圧によって制御され、
    　露光期間における前記トランジスタの抵抗値は、リセット期間における前記トランジスタの抵抗値よりも高い
    　請求項６または７に記載の光検出器。
  9. 　前記第２アバランシェフォトダイオードは遮光されている
    　請求項１～８のいずれか１項に記載の光検出器。
  10. 　前記第１アバランシェフォトダイオード、及び、前記第２アバランシェフォトダイオードは、同一の半導体基板に配置される
    　請求項１～９のいずれか１項に記載の光検出器。
  11. 　前記第１アバランシェフォトダイオードは、
    　第１導電型の第１半導体層と、
    　前記第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層とによって形成され、
    　前記第２アバランシェフォトダイオードは、
    　前記第１導電型の第３半導体層と、
    　前記第２導電型の第４半導体層とによって形成され、
    　前記光検出器は、さらに、前記第２半導体層、及び、前記第４半導体層に、略同一の電位を与えるための導電体を備える
    　請求項１～１０のいずれか１項に記載の光検出器。
  12. 　前記導電体は、前記第２導電型の半導体層である
    　請求項１１に記載の光検出器。
  13. 　前記第１アバランシェフォトダイオードと前記第２アバランシェフォトダイオードの間に前記第１アバランシェフォトダイオードの領域よりも光の透過率の低い物質が配置される
    　請求項１～１２のいずれか１項に記載の光検出器。
  14. 　前記光検出器は、アレイ状に配列された複数の前記第１アバランシェフォトダイオードを備える
    　請求項１～１３のいずれか１項に記載の光検出器。
  15. 　前記光検出器は、アレイ状に配列された複数のアバランシェフォトダイオードを備え、
    　前記第１アバランシェフォトダイオードは、前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち、最外周以外の場所に位置するアバランシェフォトダイオードである
    　請求項１４に記載の光検出器。
  16. 　前記光検出器は、アレイ状に配列された複数の前記第２アバランシェフォトダイオードを備える
    　請求項１～１５のいずれか１項に記載の光検出器。
  17. 　前記光検出器は、前記第１アバランシェフォトダイオードと異なる位置に、アレイ状に配列された複数のアバランシェフォトダイオードを備え、
    　前記第２アバランシェフォトダイオードは、前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち最外周以外の場所に位置するアバランシェフォトダイオードである
    　請求項１６に記載の光検出器。
  18. 　前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち、最外周に位置するアバランシェフォトダイオードは、第１アバランシェフォトダイオード、および第２アバランシェフォトダイオードよりブレークダウン電圧が高い
    　請求項１５または１７に記載の光検出器。
  19. 　前記第１アバランシェフォトダイオードは、
    　第１導電型の第１半導体層と、
    　前記第１導電型と異なる第２導電型の第２半導体層とによって形成され、
    　前記第２アバランシェフォトダイオードは、
    　前記第１導電型の第３半導体層と、
    　前記第２半導体層とによって形成される
    　請求項１～１８のいずれか１項に記載の光検出器。
  20. 　前記第２半導体層はエピタキシャル成長によって形成される
    　請求項１９に記載の光検出器。
  21. 　平面視において、前記第１アバランシェフォトダイオードの面積は、前記第２アバランシェフォトダイオードの面積よりも大きい
    　請求項１～２０のいずれか１項に記載の光検出器。
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