光電二極體陣列的製作方法

2023-06-12 07:18:06

專利名稱：光電二極體陣列的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電二極體陣列。
背景技術：
例如在化學或醫療等的領域，有一種將利用雪崩(電子雪崩)倍 增的光電二極體陣列安裝於閃爍器並進行光子計數的技術。在這種光 電二極體陣列中，為了識別同時入射的多個光子，在共同基板上形成 有被分割為多個光檢測通道，在每個光檢測通道配置倍增區域(例如，
參照非專利文獻l、 2及專利文獻1)。
各倍增區域為了良好地檢測微弱的光，在被稱作蓋革(Geiger)模 式的工作條件下工作。即，利用這樣的現象向各倍增區域施加高於 擊穿電壓的反向電壓，因入射的光子而產生的載流子雪崩式地倍增。 在各光檢測通道連接有用於取出來自倍增區域的輸出信號的電阻，各 電阻相互並列連接。基於經由各電阻而被取出至外部的輸出信號的波 峰值，檢測向各光檢測通道入射的光子。
專利文獻l:日本特開平11-46010號公報
非專禾ll文獻1: P. Buzhan, et al., "An Advanced Study of Silicon Photomultiplier" (online), ICFA Instrumentation BULLETIN Fall 2001 Issue,(平成 16 年 11 月 4 日檢索)，。
非專利文獻2: P. Buzhan， et al., "Silicon Photomultiplier And Its Possible applications", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 504 (20(B) 48-2。

發明內容
然而，在將光電二極體陣列用於光子計數的情況下，在取得良好 的檢測結果的方面，提高對於被檢測光的開口率，增大檢測效率變得 重要。
5然而，例如在非專利文獻1和2所述的擊穿型(reach-through)的光電二極體陣列中，各光電二極體的pn結通過在每個光檢測通道的表面形成的半導體層而實現。因此，在實現pn結的各光電二極體的半導體層外周邊部，需要用於防止邊緣擊穿的保護環，結果將對於被檢測光的開口率抑制得較低。另外，在開口率被如此地抑制得較低的光電二極體陣列中，難以提高檢測靈敏度特性。並且，由於光因雪崩倍增而產生，因而該光被相鄰的光檢測通道吸收，從而產生串擾(crosstalk)的問題。
本發明是為了解決上述問題而提出的，其目的在於，提供一種對於被檢測光的開口率高的光電二極體陣列。
為了達到上述目的，本發明涉及的光電二極體陣列的特徵在於，由使被檢測光入射的多個光檢測通道形成於具有第1導電型的半導體層的基板而形成，該光電二極體陣列具備基板；第2導電型的外延半導體層，形成於基板的第1導電型的半導體層上，在與該半導體層的界面構成pn結，並且，具有使因被檢測光的入射而產生的載流子雪崩倍增的多個倍增區域，該各倍增區域和各光檢測通道相互對應；以及多個電阻，具有2個端部，設在每個光檢測通道，經由一端部而與外延半導體層電連接，並且，經由另一端部而連接於信號導線。
上述光電二極體陣列中，pn結由基板的第1導電型的半導體層和形成於該半導體層上的外延半導體層構成。另外，倍增區域形成於實現pn結的外延半導體層，與各光檢測通道相對應的倍增區域位於該外延半導體層。所以，上述光電二極體陣列，當在蓋革模式下工作時，不具有產生邊緣擊穿的pn結的端部(邊緣)，沒有必要設置保護環。因此，能夠提高上述光電二極體陣列的開口率。
本發明的光電二極體陣列的特徵在於，由使被檢測光入射的多個光檢測通道形成於具有第1導電型的半導體層的基板而形成，該光電二極體陣列具備基板；第1導電型的外延半導體層，形成於基板的第1導電型的半導體層上，具有使因被檢測光的入射而產生的載流子雪崩倍增的多個倍增區域，該各倍增區域和各光檢測通道相互對應；第2導電型的擴散區域，形成於第1導電型的外延半導體層中，在與該外延半導體層的界面構成pn結者；以及多個電阻，具有2個端部，
6設在每個光檢測通道，經由一端部而與外延半導體層中的第2導電型的擴散區域電連接，經由另一端部而連接於信號導線。
上述光電二極體陣列中，pn結由基板上的第1導電型的外延半導
體層和形成於該半導體層中的第2導電型的外延半導體層構成。另外，
倍增區域形成於實現pn結的外延半導體層，與各光檢測通道相對應的
倍增區域位於該外延半導體層。所以，上述光電二極體陣列，當在蓋
革模式下工作時，不具有產生邊緣擊穿的pn結的端部(邊緣)，沒有必要設置保護環。因此，能夠提高上述光電二極體陣列的開口率。
優選還具備在多個光檢測通道之間形成的第1導電型的分離部，使得外延半導體層的各倍增區域和各光檢測通道相互對應。即，優選光電二極體陣列，由使被檢測光入射的多個光檢測通道形成於具有第1導電型的半導體層的基板而形成，該光電二極體陣列具備基板；第2導電型的外延半導體層，形成於基板的第1導電型的半導體層上，在與基板的界面構成pn結，並且，具有使因被檢測光的入射而產生的載流子雪崩.倍增的倍增區域；多個電阻，具有2個端部，設在每個光檢測通道，經由一端部而與外延半導體層電連接，並且，經由另一端部而連接於信號導線；以及第1導電型的分離部，形成於多個光檢測通道之間，使得外延半導體層的倍增區域對應於各光檢測通道而形成多個。
在該情況下，由在各通道間形成的分離部實現各倍增區域和各光撿測通道的對應。因此，沒有必要設置保護環，能夠提高開口率。並且，由於在光檢測通道間形成有分離部，因而能夠良好地抑制串擾。
優選分離部包括遮光部，該遮光部由吸收或反射光檢測通道所檢測的波長帶域的光的物質形成。或者，優選分離部包括由折射率低於外延半導體層的物質形成的遮光部。在這些情況下，由於光在遮光部被吸收或反射，因而能夠良好地抑制串擾的產生。而且，優選遮光部由吸收或反射光檢測通道所檢測的被檢測光的波長帶域，尤其是因雪崩倍增而產生的可見 近紅外的波長帶域的光的物質形成，使得因雪崩倍增而產生的光不影響鄰接的光檢測通道。於是，能夠良好地抑制串擾的產生。
優選信號導線在分離部的上方形成。在該情況下，由於抑制了信
7號導線橫穿光檢測面上，因而開口率更進一步提高。
優選信號導線由鋁形成，且形成於氮化矽膜上。在該情況下，即使向光電二極體陣列施加高電壓，也可以抑制鋁滲入其下的膜。另外，在此所說的"滲入"是擴散、侵入的含義，以後也以相同的含義使用。並且，在該情況下，電阻例如由多晶矽形成，電阻形成於氧化矽膜上，並且在該電阻上形成有氮化矽膜及信號導線。
依照本發明，能夠提供一種對於被檢測光的開口率高的光電二極體陣列。


圖1是第1實施方式涉及的光電二極體陣列的上面的概略圖。
圖2是第i實施方式涉及的光電二極體陣列的n-n箭頭截面的一部分的示意圖。
圖3是用於概略地說明各光檢測通道與信號導線及電阻的連接關係的圖。 .
圖4是第i實施方式涉及的光電二極體陣列的第i變形例的截面圖。
圖5是第1實施方式涉及的光電二極體陣列的第2變形例的截面圖。
圖6是第2實施方式涉及的光電二極體陣列的截面圖。圖7是用於概略地說明第3實施方式涉及的光電二極體陣列的截面構造的圖。
圖8是第4實施方式涉及的光電二極體陣列的截面圖。圖9是圖2所示的實施方式的層構造的變形例涉及的光電二極體陣列的截面圖。
圖10是圖4所示的實施方式的層構造的變形例涉及的光電二極體陣列的截面圖。
圖11是圖5所示的實施方式的層構造的變形例涉及的光電二極體陣列的截面圖。
圖12是圖6所示的實施方式的層構造的變形例涉及的光電二極體陣列的截面圖。圖13是圖7所示的實施方式的層構造的變形例涉及的光電二極體陣列的截面圖。
圖14是圖8所示的實施方式的層構造的變形例涉及的光電二極體
陣列的截面圖。
圖15是半導體層12的附近的截面圖。符號說明
1、 30、 40、 50:光電二極體陣列；2:基板；3:信號導線；4:電阻；5:電極墊；10:光檢測通道；11:絕緣膜；12: n+型半導體層；13: p-型半導體層；14: p+型半導體層；15: p型半導體層；16:保護膜；20:分離部；22:遮光部；S:基板部件；AM:倍增區域；R13:
n型半導體層；R15: n型半導體層。
具體實施例方式
以下，參照附圖，對優選的實施方式進行詳細的說明。並且，在說明中，對於相同要素或者具有相同功能的要素使用相同符號，省略重複的說明。
(第1實施方式)
參照圖1和圖2，對第1實施方式涉及的光電二極體陣列1的構成迸行說明。圖1是第1實施方式涉及的光電二極體陣列1的上面的概略圖。圖2是圖1所示的光電二極體陣列1的II-II箭頭截面的一部分的示意圖。
光電二極體陣列1在基板2上層疊有多個半導體層及絕緣層。如圖1所示，光電二極體陣列1是使被檢測光入射的多個光檢測通道10形成為矩陣狀(本實施方式中為4x4)而成的光子計數用多通道雪崩光電二極體。在光電二極體陣列l的上面側設置有信號導線3、電阻4、以及電極墊5。基板2例如為一邊lmm左右的正方形狀。各光檢測通道IO例如為正方形狀。
信號導線3由讀出部3a、連接部3b、以及通道外周部3c形成。讀出部3a傳送從各光檢測通道IO輸出的信號，連接部3b連接各電阻4和讀出部3a，通道外周部3c以包圍各光檢測通道10的外周的方式
9配置。讀出部3a分別與配置在夾著該讀出部3a而鄰接的2列上的光 檢測通道10連接，在其一端連接有電極墊5。另外，本實施方式中， 由於光電二極體配置為4x4的矩陣狀，因而在光電二極體陣列1上配 置有2根讀出部3a，這些均連接於電極墊5。信號導線3例如由鋁(Al) 形成。
電阻4經由一端部4a及通道外周部3c而設在每個光檢測通道10， 經由另一端部4b及連接部3b而連接於讀出部3a。連接於同一讀出部 3a的多個(本實施方式中為8個)電阻4相對於該讀出部3a而連接。 電阻4例如由多晶矽(Poly-Si)形成。
接著，參照圖2，對光電二極體陣列1的截面構成進行說明。如圖 2所示，光電二極體陣列1具備具有導電型為n型(第1導電型)的 半導體層的基板2、在基板2上形成的導電型為p型(第2導電型)的 p—型半導體層13、在p—型半導體層13上形成的導電型為p型的p+型半 導體層14、保護膜16、形成於p—型半導體層13的導電型為n型(第l 導電型)的分離部.20、以及在保護膜16上形成的上述信號導線3和電 阻4。被檢測光從圖2的上面側入射。
基板2具有基板部件S、在基板部件S上形成的絕緣膜ll、以及 在絕緣膜11上形成的n+型半導體層12。基板部件S例如由Si (矽) 形成。絕緣膜11例如由Si02 (氧化矽)形成。n+型半導體層12例如 由Si形成，是雜質濃度高的導電型為n型的半導體層。
P—型半導體層13是雜質濃度低的導電型為p型的外延半導體層。 p—型半導體層13在與基板2的界面構成pn結。p-型半導體層13對應 於各光檢測通道10，具有使因被檢測光的入射而產生的載流子雪崩倍 增的多個倍增區域AM。 p—型半導體層13的厚度例如為3pm~5|am。 p— 型半導體層13，例如由Si形成。
p+型半導體層14對應於各光檢測通道10的倍增區域AM，形成於 p—型半導體層13上。§卩，在半導體層的層疊方向(以下，僅稱為層疊 方向)上，位於p+型半導體層14的下方的p—型半導體層13的與基板2 的界面附近的區域為倍增區域AM。 p+型半導體層14例如由Si形成。
分離部20形成於多個光檢測通道10之間，分離各光檢測通道10。 即，分離部20以與各光檢測通道10 —一對應地在p—型半導體層13上形成有倍增區域AM的方式形成。分離部20以完全包圍各倍增區域
AM的周圍的方式在基板2上形成為二維格子狀。分離部20在層疊方 向上從p-型半導體層13的上面側貫通至下面側而形成。分離部20的 雜質例如由P形成，是雜質濃度高的導電型為n型的半導體層。此外， 如果通過擴散形成分離部20，則需要長的熱處理時間，因而，可以認 為n+型半導體層12的雜質向外延半導體層擴散，pn結的界面凸起。為 了防止該凸起，可以對相當於分離部20的區域的中央附近進行溝槽蝕 刻(trench etching)後，進行雜質的擴散，形成分離部20。雖然詳細 的內容在其它的實施方式中進行說明，但是，也能夠在該溝槽形成遮 光部，該遮光部通過填埋吸收或反射光檢測通道所吸收的波長帶域的 光的物質而形成，從而防止因雪崩倍增的發光影響鄰接的光檢測通道 而產生的串擾。
p—型半導體層13、 p+型半導體層14，以及分離部20在光電二極體 陣列1的上面側形成平面，在這些之上形成有保護膜16。保護膜16 例如由絕緣層形成，該絕緣層由Si02形成。
在保護膜16上形成有信號導線3及電阻4。信號導線3的讀出部 3a及電阻4在分離部20的上方形成。
此外，信號導線3作為陽極而起作用，作為陰極，雖然圖示省略 但可以在基板2的下面側(無絕緣層11的一側)的整個面上具備透明 電極層(例如，由ITO (銦錫氧化物)形成的層)。或者，作為陰極， 也可以以將電極部引出至表面側的方式形成。
在此，參照圖3，說明各光檢測通道10與信號導線3及電阻4的 連接關係。圖3是用於概略地說明各光檢測通道10與信號導線3及電 阻4的連接關係的圖。如圖3所示，各光檢測通道10的p+型半導體層 14與信號導線3 (通道外周部3c)直接連接。於是，信號導線3 (通 道外周部3c)與p—型半導體層13電連接。並且，p—型半導體層13和 電阻4的一端部4a經由信號導線3 (通道外周部3c)而連接，電阻4 的另一端部4b分別經由連接部3b而連接於讀出部3a。
在將如此地構成的光電二極體陣列1用於光子計數的情況下，在 被稱為蓋革模式的工作條件下工作。當該蓋革模式工作時，向各光檢 測通道10施加高於擊穿電壓的反向電壓(例如50V以上)。在該狀態下，如果被檢測光從上面側向各光檢測通道10入射，則被檢測光在各 光檢測通道10被吸收，產生載流子。所產生的載流子按照各光檢測通 道10內的電場一邊加速， 一邊移動，在各倍增區域AM進行倍增。然
後，倍增的載流子經由電阻4而被信號導線3取出至外部，並基於該
輸出信號的波峰值而被檢測。由於從檢測光子的通道均得到等量的輸 出，因而通過檢測來自全部通道的總輸出，可以計量出從光電二極體
陣列1中的幾個光檢測通道IO產生輸出。所以，在光電二極體陣列1
中，通過被檢測光的一次照射，就可以進行光子計數。
在光電二極體陣列1中，pn結是由基板2的n+型半導體層12和在 該基板2的n+型半導體層12上形成的外延半導體層，即f型半導體層 13構成。並且，倍增區域AM形成於實現pn結的p—型半導體層13， 各倍增區域AM與各光檢測通道10的對應由形成於光檢測通道10之 間的分離部20實現。pn結面由n+型半導體層12和p—型半導體層13 的界面、以及分離部20和p—型半導體層13的界面構成，不存在高濃 度雜質區域變得凸起且電場變高的區域。所以，光電二極體陣列l，當 在蓋革模式下工作時，不具有產生邊緣擊穿的pn結的端部(邊緣)。 因此，在光電二極體陣列1中，沒有必要對各光檢測通道10的pn結 設置保護環。於是，能夠顯著地提高光電二極體陣列l的開口率。
並且，通過提高開口率，能夠在光電二極體陣列1中增大檢測效
另外，由於各光檢測通道10間由分離部20分離，因而能夠良好 地抑制串擾。
另外，當在蓋革模式下工作且在光子入射的光檢測通道和未入射 的通道之間電壓差變大時，由於在光檢測通道10間形成有分離層20， 因而也能夠充分地分離通道間。
在光電二極體陣列1中，信號導線3的讀出部3a在分離部20的 上方形成。因此，由於能夠抑制信號導線3橫穿倍增區域AM上方， 即光檢測面上，因而開口率進一步提高。而且，可以認為，對暗電流 的抑制也有效果。另外，在光電二極體陣列1中，由於電阻4也在分 離部20的上方形成，因而開口率更進一步提高。
另外，本發明者從餘脈衝(afterpulse)的波長相關性發現當使用n型的半導體基板，並在其上形成p型的外延半導體層時，產生這 樣的問題在n型的半導體基板產生的空穴的一部分延遲，進入倍增 區域，成為餘脈衝。對於該問題，在光電二極體陣列1中，由於通過
在基板部件S和n+型半導體層12之間具有例如由Si02形成的絕緣膜 11，從而完全地分離基板部件S和n+型半導體層12，因而能夠抑制餘 脈衝。
此外，可以對本實施方式的分離部20應用各種的變形。圖4是本 實施方式涉及的光電二極體陣列1的第1變形例的截面圖。第1變形 例涉及的光電二極體陣列中，多個(本變形例中為2個)分離部20在 光檢測通道IO之間形成。
圖5是本實施方式涉及的光電二極體陣列1的第2變形例的截面 圖。第2變形例涉及的光電二極體陣列中，分離部20在層疊方向上並 不從p—型半導體層13的上面側貫通至下面側，僅在上面(被檢測光入 射面)附近形成。
另外，上述實施方式中，雖然將外延半導體層作為第2導電型， 但是，也可以將外延半導體層作為第1導電型，在該半導體層中設置 第2導電型的擴散區域，由第1導電型的外延半導體層和第2導電型 的擴散區域構成pn結。 (第2實施方式)
參照圖6，對第2實施方式涉及的光電二極體陣列30的構成進行 說明。圖6是第2實施方式涉及的光電二極體陣列30的截面圖。第2 實施方式涉及的光電二極體陣列30，在分離部20具有遮光部的方面， 與第1實施方式涉及的光電二極體陣列1不同。
如圖6所示，分離部20包括遮光部22，該遮光部22由吸收光檢 測通道10所檢測的被檢測光的波長帶域(從可見至近紅外)的光的物 質形成。遮光部22，如同從p—型半導體層13的上面側向下面側延伸的 芯，被埋入分離部20內而形成。遮光部22由例如向光致抗蝕劑內混 入黑色染料或經過絕緣處理的碳黑等顏料的黑色光致抗蝕劑或者鴇等 金屬形成。但是，在構成遮光部22的物質不為絕緣物質的情況(例如， 鎢等的金屬)下，需要由Si02等絕緣膜覆蓋該遮光部22。此外，在第 1實施方式中已進行了說明，如果通過擴散形成分離部20，則需要長的熱處理時間，因而，可以認為n+型半導體層12的雜質向外延半導體 層擴散，pn結的界面凸起。為了防止該凸起，可以對相當於分離層20 區域的中央附近進行溝槽蝕刻後，進行雜質的擴散，形成分離部20。 如圖6所示，進行雜質擴散後，n+型半導體層12和分離部20成為連接 的形態。也能夠在殘留的溝槽形成遮光部，該遮光部通過填埋如上所 述吸收光檢測通道所吸收的波長帶域的光的物質(如後所述，也可以 為反射光檢測通道所吸收的波長帶域的光的物質)而形成，從而防止 因雪崩倍增的發光影響鄰接的光檢測通道而產生的串擾。
在光電二極體陣列30中，與光電二極體l相同，當在蓋革模式下 工作時，不具有產生邊緣擊穿的pn結的端部(邊緣)。因此，在光電 二極體陣列30中，也沒有必要對各光檢測通道10的pn結設置保護環。 於是，能夠提高光電二極體陣列30的開口率。
並且，通過提高開口率，能夠在光電二極體陣列30中增大檢測效
另外，由於各光檢測通道10間由分離部20分離，因而能夠良好. 地抑制串擾。
在光電二極體陣列30中，由於信號導線3的讀出部3a在分離部 20的上方形成，因而開口率進一步提高。而且，可以認為，對暗電流 的抑制也有效果。
而且，在光電二極體陣列30中，由於在基板部件S和n+型半導體 層12之間具有絕緣膜11，因而能夠抑制餘脈衝。
另外，各分離部20包括遮光部22，該遮光部22由吸收光檢測通 道10所檢測的被檢測光的波長帶域的光的物質形成。所以，由於被檢 測光在遮光部被吸收，因而能夠良好地抑制串擾的產生。而且，為了 使因雪崩倍增而產生的光不影響鄰接的光檢測通道10，遮光部22由吸 收光檢測通道IO所檢測的被檢測光的波長帶域，尤其是因雪崩倍增而 產生的可見 近紅外的波長帶域的光的物質形成，因而能夠良好地抑制 串擾的產生。
此外，遮光部22並不限於吸收從可見至近紅外的光的物質，也可 以是反射從可見至近紅外的光的物質。在該情形下，由於被檢測光在 遮光部被反射，因而也能夠良好地抑制串擾的產生。而且，為了使因
14雪崩倍增而產生的光不影響鄰接的光檢測通道10，遮光部22由反射光 檢測通道IO所檢測的被檢測光的波長帶域，尤其是因雪崩倍增而產生 的可見 近紅外的波長帶域的光的物質形成，因而能夠良好地抑制串擾 的產生。
另外，遮光部22並不限於吸收或反射從可見至近紅外的光的物質， 只要是吸收或反射光檢測通道10所檢測的被檢測光的波長帶域的光的
物質即可。但是，為了使因雪崩倍增而產生的光不影響鄰接的光檢測
通道10，優選遮光部22由吸收或反射光檢測通道10所檢測的被檢測 光的波長帶域，尤其是因雪崩倍增而產生的可見 近紅外的波長帶域的 光的物質形成。
此外，遮光部22可以由折射率低於分離部20的物質形成。在這 些情況下，由於光在遮光部被反射，因而能夠良好地抑制串擾的產生。 (第3實施方式)
參照圖7，對第3實施方式涉及的光電二極體陣列40的構成進行 說明。圖7是用於概略地說明第3實施方式涉及的光電二極體陣列40 的截面構造的圖。第3實施方式涉及的光電二極體陣列40，在信號導 線3形成於氮化矽膜上的方面，與第1實施方式涉及的光電二極體陣 列1不同。
如圖7所示，光電二極體陣列40具備具有導電型為n型(第l 導電型)的半導體層的基板2，在基板2上形成的導電型為p型(第2 導電型)p型半導體層15，在p型半導體層15上形成的導電型為p型 p+型半導體層14，保護膜16a、 16b，形成於p型半導體層15的導電型 為n型(第1導電型)分離部20，由鋁形成信號導線3，以及例如由 Poly-Si形成的電阻4。被檢測光從圖7的上側入射。
基板2具有n+型的基板部件S，以及在基板部件S上形成的n型 半導體層12。
p型半導體層15是雜質濃度低於p+型半導體層14的導電型為p 型的外延半導體層。p型半導體層15在與基板2的n型半導體層12 的界面構成pn結。p型半導體層15對應於各光檢測通道10，具有使 因被檢測光的入射而產生的載流子雪崩倍增的多個倍增區域AM。 p型 半導體層15例如由Si，形成。P型半導體層15、 p+型半導體層14、以及分離部20在光電二極體
陣列40的上面側形成平面，在這些之上形成有保護膜16a、 16b。保護 膜16a由絕緣膜形成，該絕緣膜由氧化矽膜(Si02膜)形成。保護膜 16b由絕緣膜形成，該絕緣膜由氮化矽膜(SiN膜或Si3Nj莫)形成。
如圖7所示，在分離部20上依次層疊有保護膜i6a、電阻4、保 護膜16b、以及信號導線3。具體而言，在分離部20上層疊有保護膜 16a。在保護膜16a上層疊有電阻4。在保護膜16a及電阻4上，除了 各電阻4的一部分之外，層疊有保護膜16b。在保護膜16b及其上未層 疊有保護膜16b的電阻4的一部分之上，為了電連接而層疊有信號導 線3。具體而言，分別在電阻4間層疊有信號導線3的讀出部3a、在 電阻4上為了電連接而層疊有作為向連接部3b或通道外周部3c的電 連接的信號導線3。
而且，如圖7所示，在p+型半導體層14上，除了一部分之外，層 疊有保護膜16b。在未層疊有保護膜16b的p+型半導體層14的該一部 分之上以及層疊於p+型半導體層14上的保護膜16b的一部分之上，為 了電連接而層疊有信號導線3的通道外周部3c。
在光電二極體陣列40中，與光電二極體l相同，當在蓋革模式下 工作時，不具有產生邊緣擊穿的pn結的端部(邊緣)。因此，在光電 二極體陣列40中，也沒有必要對各光檢測通道10的pn結設置保護環。 於是，能夠提高光電二極體陣列40的開口率。
並且，通過提高開口率，能夠在光電二極體陣列40中增大檢測效
另外，由於光檢測通道10間由分離部20分離，因而能夠良好地 抑制串擾。
在光電二極體陣列40中，由於信號導線3的讀出部3a在分離部 20的上方形成，因而開口率進一歩提高。而且，可以認為，對於暗電 流的抑制也有效果。
由於信號導線3由鋁形成，因而例如在形成於氧化膜上的情況下， 因施加高電壓而產生使鋁滲入其下的膜的問題。針對該問題，在光電 二極體陣列40中，信號導線3形成於由氮化矽膜形成的保護膜16b上。 因此，即使向光電二極體陣列40施加高電壓，也可以抑制鋁滲入其下
16的膜(保護膜16b)。
此外，在信號導線3的讀出部3a之下，層疊有保護膜16b及保護 膜16a或電阻4。因此，良好地抑制了因施加高電壓而導致鋁滲入分離 部20及p型半導體層15。
如此，在光電二極體陣列40中，即使在施加高電壓的情況下，也 很好地抑制了鋁侵入光檢測通道10及分離部20。
例如，由多晶矽(Poly-Si)形成的電阻4在保護膜16a上形成， 並且，在該電阻4上形成有保護膜16b及信號導線3。
此外，可以使用p型半導體層來代替n型半導體層12。這種情況 下，在該p型的半導體層和n+型的基板部件S (基板2)之間構成pn 結，在該p型的半導體層形成有倍增部AM。 (第4實施方式)
參照圖8，對第4實施方式涉及的光電二極體陣列50的構成進行 說明。圖8是第4實施方式涉及的光電二極體陣列50的截面圖。第4 實施方式涉及的光電二極體陣列50，在不具備分離部20的方面，與第 1實施方式涉及的光電二極體陣列1不同。
如圖8所示，p—型半導體層13具有多個倍增區域AM，並且各倍 增區域AM和各光檢測通道10相互對應。在各光檢測通道10間形成 有信號導線3及電阻4。
在光電二極體陣列50中，與光電二極體l相同，當在蓋革模式下 工作時，不具有產生邊緣擊穿的pn結的端部(邊緣)。因此，在光電 二極體陣列50中，也沒有必要對各光檢測通道10的pn結設置保護環。 於是，能夠提高光電二極體陣列50的開口率。而且，由於不具有分離 部，因而光電二極體陣列50能夠顯示出更高的開口率。
並且，通過提高開口率，能夠在光電二極體陣列50中增大檢測效率。
在光電二極體陣列50中，由於信號導線3的讀出部3a在各光檢 測通道10間形成，因而開口率進一步提高。而且，可以認為，對於暗 電流的抑制也有效果。
而且，在光電二極體陣列50中，由於在基板部件S和n+型半導體 層12之間具有絕緣膜12，因而能夠抑制餘脈衝。
17以上，對本發明的優選實施方式及變形例進行了說明，但本發明 並不限於上述實施方式及變形例，能夠進行各種變形。例如，在光電 二極體陣列形成的光檢測通道的數目，並不限於上述實施方式中的數 目(4x4)。在光檢測通道10間形成的分離部20的數目，也並不限於
上述實施方式及變形例中所示的數目，例如可以為3以上。另外，信 號導線3也可以不在分離部20的上方形成。電阻4也可以不在分離部 20的上方形成。另外，各層等並不限於上述實施方式及變形例中所列 舉的層。
另外，可以在n型半導體層12之下使用由n型的半導體形成的緩 衝層。並且，可以使用p型的半導體層來代替n型半導體層12，在其 下使用由n型的半導體形成的緩衝層。在該情況下，在該p型的半導 體層和n型的緩衝層之間構成pn結，在該p型的半導體層形成有倍增 部AM。而且，在像第3實施方式那樣不具有絕緣膜11的情況下，也 可以使用p型的半導體層來代替n型半導體層12，在其下使用由p型 的半導體形成的緩衝層。在該情況下，在該p型的緩衝層和n+型的基 板部件S (基板2)之間構成pn結，在該p型的緩衝層形成有倍增部 AM。
上述的光電二極體陣列，由在蓋革模式下工作的多個雪崩光電二 極管(由檢測通道10的pn結形成)二維排列而形成，雪崩光電二極 管包含結晶性高的外延半導體層13。上述的光電二極體陣列具備電 連接於雪崩光電二極體的一端(陽極)且配置在雪崩光電二極體的光 入射面上的電阻4、以及連接於電阻4的另一端的信號導線3，在鄰接 的雪崩光電二極體之間不存在保護環。在該構造中，由於不具備保護 環，因而能夠增大檢測通道的開口面積。
圖9是圖2所示的實施方式的層構造的變形例涉及的光電二極體 陣列的截面圖，圖10是圖4所示的實施方式的層構造的變形例涉及的 光電二極體陣列的截面圖，圖11是圖5所示的實施方式的層構造的變 形例涉及的光電二極體陣列的截面圖，圖12是圖6所示的實施方式的 層構造的變形例涉及的光電二極體陣列的截面圖，圖13是圖7所示的 實施方式的層構造的變形例涉及的光電二極體陣列的截面圖，圖14是 圖8所示的實施方式的層構造的變形例涉及的光電二極體陣列的截面圖。這些的基本的平面構成和連接關係與圖l所示的相同。
如上所述，在從圖9至圖14所示的構造中，使用n型半導體層
R13或R15來代替圖2、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8的p型半導體層 13或p型半導體層15。在該情況下，pn結在低濃度的n型半導體層 R13 (或R15)和p型半導體層14的界面上形成，耗盡層從pn結向n 型半導體層R13 (或R15)擴展，與耗盡層相對應，倍增區域AM從 pn結界面向著n型半導體層R13 (或R15)形成。其它的構造及作用 與上述相同。
這些光電二極體陣列1，由使被檢測光入射的多個光檢測通道10 形成於具有n型半導體層12的n型的基板2而形成。該光電二極體陣 列1，由使被檢測光入射的多個光檢測通道10形成於具有第1導電型 的n+型的半導體層12 (S)的基板而形成，具備基板2;第l導電型 的n—型的外延半導體層R13 (或R15)，形成於基板2的第1導電型的 半導體層12上，具有使因被檢測光的入射而產生的載流子雪崩倍增的 多個倍增區域AM，該各倍增區域AM和各光檢測通道相互對應；第2 導電型的p+型的擴散區域14，形成於第1導電型的外延半導體層R13 (或R15)中，在與該外延半導體層R13 (或R15)的界面構成pn結； 以及多個電阻4，具有2個端部，設在每個光檢測通道IO，經由一端 部4a而與外延半導體層R13 (或R15)中的第2導電型的擴散區域14 電連接，並且經由另一端部4b而連接於信號導線3。
電阻4是如圖1所示，經由一端部4a及通道外周部3c而設在每 個光檢測通道10，經由另一端部4b及連接部3b而連接於讀出部3a。 連接於同一讀出部3a的多個電阻4相對於該讀出部3a而連接。
在這些光電二極體陣列中，pn結由基板上的第1導電型外延半導 體層R13 (或R15)和形成於該外延半導體層R13 (或R15)中的第2 導電型的外延半導體層14構成。並且，倍增區域AM形成於實現pn 結的外延半導體層R13 (或R15)，與各光檢測通道相對應的倍增區域 AM位於該外延半導體層R13 (或R15)。所以，上述光電二極體陣列， 當在蓋革模式下工作時，不具有產生邊緣擊穿的pn結的端部(邊緣)， 沒有必要設置保護環。因此，能夠提高上述光電二極體陣列的開口率。
圖15是設在半導體層12之上的緩衝層12X的截面示意圖。緩衝
19層12X由n型的半導體層形成。可以在n型半導體層12之上使用由n 型的半導體形成的緩衝層12X。另外，可以在n型半導體層12之上使 用由p型的半導體形成的緩衝層12X。在該情況下，在該n型的半導 體層12和p型的緩衝層12X之間構成pn結，在該p型的緩衝層形成 有倍增部AM。而且，在像第3實施方式那樣不具有絕緣膜11的情況 下，也可以使用p型的半導體層來代替n型半導體層12，在其上使用 由p型的半導體形成的緩衝層。在該情況下，在該p型的半導體層和 n+型的基板部件S (基板2)之間構成pn結，在該p型的半導體層形 成有倍增部AM。
(產業上的可利用性) 本發明能夠被用作對於被檢測光的開口率高的光電二極體陣列。
權利要求
1. 一種光電二極體陣列，其特徵在於，由使被檢測光入射的多個光檢測通道形成於具有第1導電型的半導體層的基板而形成，該光電二極體陣列具備所述基板；第2導電型的外延半導體層，形成於所述基板的第1導電型的所述半導體層上，在與該半導體層的界面構成pn結，並且，具有使因所述被檢測光的入射而產生的載流子雪崩倍增的多個倍增區域，該各倍增區域和所述各光檢測通道相互對應；以及多個電阻，具有2個端部，設在每個所述光檢測通道，經由一所述端部而與所述外延半導體層電連接，並且經由另一所述端部而連接於信號導線。
2. —種光電二極體陣列，其特徵在於，由使被檢測光入射的多個光檢測通道形成於具有第1導電型的半 導體層的基板而形成，該光電二極體陣列具備 所述基板；第1導電型的外延半導體層，形成於所述基板的第1導電型的所 述半導體層上，具有使因所述被檢測光的入射而產生的載流子雪崩倍 增的多個倍增區域，該各倍增區域和所述各光檢測通道相互對應；第2導電型的擴散區域，形成於所述第1導電型的外延半導體層 中，在與該外延半導體層的界面構成pn結；以及多個電阻，具有2個端部，設在每個所述光檢測通道，經由一所 述端部而與所述外延半導體層中的所述第2導電型的擴散區域電連接， 並且經由另 一所述端部而連接於信號導線。
3. 如權利要求1或2所述的光電二極體陣列，其特徵在於， 還具備在所述多個光檢測通道之間形成的第1導電型的分離部，使得所述外延半導體層的所述各倍增區域和所述各光檢測通道相互對 應。
4. 如權利要求1至3中的任一項所述的光電二極體陣列，其特徵 在於，所述分離部包括遮光部，該遮光部由吸收或反射所述光檢測通道 所檢測的波長帶域的光的物質形成。
5. 如權利要求1至3中的任一項所述的光電二極體陣列，其特徵 在於，所述分離部包括由折射率低於所述外延半導體層的物質形成的遮 光部。
6. 如權利要求1至5中的任一項所述的光電二極體陣列，其特徵 在於，所述信號導線在所述分離部的上方形成。
7. 如權利要求1至6中的任一項所述的光電二極體陣列，其特徵 在於，所述信號導線由鋁形成，且形成於氮化矽膜上。
8. 如權利要求7所述的光電二極體陣列，其特徵在於， 所述電阻由多晶矽形成，所述電阻形成於氧化矽膜上，並且在該電阻上形成有所述氮化矽 膜及所述信號導線。
9. 一種光電二極體陣列，由在蓋革模式下工作的多個雪崩光電二 極管排列而成，其特徵在於，所述雪崩光電二極體包括外延半導體層， 所述光電二極體陣列具備電阻， 一端電連接於所述雪崩光電二極體，且配置在光入射面上;以及信號導線，連接於所述電阻的另一端； 在鄰接的所述雪崩光電二極體之間不存在保護環。
全文摘要
光電二極體陣列(1)，由使被檢測光入射的多個光檢測通道(10)形成於具有n型半導體層(12)的n型的基板(2)而形成。光電二極體陣列(1)具備在基板(2)的n型半導體層(12)上形成的p-型半導體層(13)、設在每個光檢測通道(10)且一端部連接於信號導線(3)的電阻(4)、以及在多個光檢測通道(10)之間形成的n型分離部(20)。p-型半導體層(13)在與基板(2)的界面構成pn結，對應於光檢測通道，具有使因被檢測光的入射而產生的載流子雪崩倍增的多個倍增區域(AM)。形成分離部(20)，使得p-型半導體層(13)的各倍增區域(AM)對應於各光檢測通道(10)而形成。
文檔編號H01L31/107GK101484999SQ20078002530
公開日2009年7月15日 申請日期2007年7月3日 優先權日2006年7月3日
發明者山村和久, 裡健一 申請人:浜松光子學株式會社