CN113302462A - 决定方法及光检测装置 - Google Patents

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Abstract

决定方法决定APD的击穿电压与施加于APD的偏置电压的差分电压。温度补偿部通过基于该差分电压控制偏置电压而进行APD的增益的温度补偿。在该决定方法中，将偏置电压设为“Vr”，将被施加了该偏置电压的APD的增益设为“M”。取得将表示偏置电压与增益的相关的数据中的“(1/M)×(dM/dVr)”设为反应变量且将“M”设为解释变量的回归直线的斜率及截距。通过将上述斜率代入下式(1)的“a”，将上述截距代入下式(1)的“b”，将在光检测装置中设定于雪崩光电二极管的增益代入下式(1)的“Md”而运算的“ΔV”，被决定为上述差分电压，[数1]

Description

决定方法及光检测装置
技术领域
本发明涉及一种决定方法及光检测装置。
背景技术
已知有为了对温度进行稳定的光检测，而控制施加于雪崩光电二极管的偏置电压的结构(例如专利文献1)。在专利文献1中，将与温度补偿用二极管的击穿电压对应的电压作为偏置电压施加于雪崩光电二极管。以下，在本说明书，将“雪崩光电二极管”称为“APD”。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平07-27607号公报
发明内容
发明所要解决的问题
APD的增益自APD检测到光子时的输出电荷量计算出。APD的增益根据施加于APD的偏置电压的变化而变化。即使将一定的偏置电压施加于APD，若环境温度变化，则APD的增益也变化。因此，为了将APD的增益设为一定，需要根据环境温度使施加于APD的偏置电压变化。
在将APD的击穿电压与施加于APD的偏置电压的差分电压控制为一定的情况下，即使环境温度变化，APD的增益的变化也较小。因此，为了相对于温度稳定地获得所期望的增益，谋求决定获得所所期望的增益的上述差分电压。然而，因为APD的击穿电压也根据环境温度而变化，因而难以决定获得所期望的增益的差分电压。
本发明的一个方式的目的在于，提供一种易于决定在APD中获得所期望的增益的差分电压的决定方法。本发明的另一个方式的目的在于，提供一种易于在APD中获得所期望的增益的光检测装置。
解决问题的技术手段
本发明人们进行调查研究，结果新发现了以下那样的事实。
已知在将施加于APD的偏置电压设为“Vr”，将在规定的温度下被施加了该偏置电压的APD的增益设为“M”的情况下，以下的式(1)成立。
[数1]
Figure BDA0003110474250000021
通过本发明人们的潜心研究，弄清了这些式(1)的“a”、“b”的温度依赖性极低，且可使用于增益的温度补偿。在此情况下，若在任意的温度下取得表示偏置电压与被施加了该偏置电压的APD的增益的相关的数据，则可自式(1)取得上述“a”、“b”。式(1)表示将“(1/M)×(dM/dVr)”设为反应变量且将“M”设为解释变量的回归直线，“a”为该回归直线的斜率，“b”为该回归直线的截距。
再有，本申请发明人们发现了，若决定“a”及“b”，则通过以下的式(2)求出所期望的增益下的、APD的击穿电压与施加于APD的偏置电压的差分电压。式(2)中的“ΔV”表示上述差分电压。
[数2]
Figure BDA0003110474250000022
通过将自式(1)取得的“a”及“b”代入式(2)的“a”及“b”，将所期望的增益代入下述的式(2)的“M”，而导出所期望的增益中的“ΔV”。即，不严密地考虑环境温度，极其容易地导出获得所期望的增益的“ΔV”。例如，不考虑APD的击穿电压的温度特性，决定获得所期望的增益的“ΔV”。
若决定“ΔV”，则可控制获得所期望的增益的偏置电压。例如，在将温度补偿用二极管的击穿电压作为偏置电压施加于APD的情况下，“ΔV”表示APD的击穿电压与温度补偿用二极管的击穿电压的差分电压。因此，也可导出获得所期望的增益的“ΔV”，且配合于被导出的“ΔV”，设计APD及温度补偿用二极管的杂质浓度。
本发明的一个方式的决定方法是在具有APD与温度补偿部的光检测装置中，决定APD的击穿电压与施加于APD的偏置电压的差分电压的决定方法。温度补偿部通过基于该差分电压控制偏置电压而进行APD的增益的温度补偿。在该决定方法中，将偏置电压设为“Vr”，将被施加了该偏置电压的APD的增益设为“M”。在此情况下，取得将表示偏置电压与增益的相关的数据中的“(1/M)×(dM/dVr)”设为反应变量且将“M”设为解释变量的回归直线的斜率及截距。通过将上述斜率代入下式(3)的“a”，将上述截距代入下式(3)的“b”，将在光检测装置中设定于雪崩光电二极管的增益代入下式(3)的“Md”而运算的“ΔV”，被决定为上述差分电压。
[数3]
Figure BDA0003110474250000031
在上述的一个方式中，取得将“(1/M)×(dM/dVr)”设为反应变量且将“M”设为解释变量的回归直线的斜率及截距。通过将取得的斜率代入式(3)的“a”，将取得的截距代入式(3)的“b”而决定获得所期望的增益的上述差分电压。因此，不严密地考虑环境温度，极其容易地决定获得所期望的增益的上述差分电压。
在上述的一个方式中，通过将相互不同的多个值作为设定于APD的增益分别代入式(3)的“Md”而运算的多个“ΔV”，也可被决定为与上述多个值的各个对应的差分电压。在此情况下，不严密地考虑环境温度，极其容易地决定与多个值的各个对应的多个上述差分电压。
本发明的另一个方式的光检测装置具备APD与温度补偿部。温度补偿部通过基于APD的击穿电压与施加于APD的偏置电压的差分电压控制偏置电压，而进行APD的温度补偿。温度补偿部以上述差分电压成为“ΔV”的方式，控制偏置电压。将偏置电压设为“Vr”，将被施加了该偏置电压的APD的增益设为“M”。“ΔV”通过关于表示偏置电压与增益的相关的数据，将“(1/M)×(dM/dVr)”设为反应变量且将“M”设为解释变量的回归直线的斜率代入下式(4)的“a”，将回归直线的截距代入下式(4)的“b”，将设定于APD的增益代入下式(4)的“Md”而被运算。
[数4]
Figure BDA0003110474250000041
在上述其他方式中，温度补偿部以APD的击穿电压与施加于APD的偏置电压的差分电位成为“ΔV”的方式，控制偏置电压。“ΔV”通过将“(1/M)×(dM/dVr)”设为反应变量且将“M”设为解释变量的回归直线的斜率代入式(4)的“a”，将截距代入式(4)的“b”而被运算。因此，不严密地考虑环境温度，极其容易地获得所期望的增益。
在上述其他方式中，光检测装置也可还具备设定部与配线部。设定部也可根据设定于APD的增益，设定温度补偿部。配线部也可电连接温度补偿部与APD。温度补偿部也可具有多个温度补偿用二极管。多个温度补偿用二极管也可具有相互不同的击穿电压。配线部也可将与各温度补偿用二极管的击穿电压对应的电压作为偏置电压施加于APD。设定部也可以通过将设定于APD的增益代入式(4)的“Md”而运算的“ΔV”成为差分电压的方式，自多个温度补偿用二极管设定偏置电压的控制所使用的温度补偿用二极管。在此情况下，“ΔV”表示自APD的击穿电压减去与温度补偿用二极管的击穿电压对应的电压的减法运算值。因此，能够导出获得所期望的增益的“ΔV”，且以上述减法运算值成为导出的“ΔV”的方式设计APD及温度补偿用二极管的杂质浓度。也可以上述减法运算值成为“ΔV”的方式，设计电路。在该光检测装置中，通过设定部，自多个温度补偿用二极管设定偏置电压的控制所使用的温度补偿用二极管。因此，可不严密地考虑环境温度，极其容易地获得对应于状况的所期望的增益。换言之，可容易地切换所期望的增益且温度稳定地获得所期望的增益。
发明的效果
本发明的一个方式可提供一种易于决定在APD中获得所期望的增益的差分电压的决定方法。本发明的另一个方式可提供一种易于在APD中获得所期望的增益的光检测装置。
附图说明
图1是本实施方式的光检测装置的方块图。
图2是光检测装置的概略构成图。
图3是光检测部的概略截面图。
图4是显示施加于APD的偏置电压与被施加了该偏置电压的APD的增益的关系的数据的曲线图。
图5是显示回归直线的斜率及截距的温度依赖性的曲线图。
图6是显示与设定部的设定对应的APD的输出特性的曲线图。
图7是显示半导体基板的制造方法的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细的说明。另外，在说明中，对同一要件或具有同一功能的要件使用同一符号，省略重复的说明。
首先，参照图1，说明本实施方式的光检测装置的概要。图1是光检测装置的方块图。光检测装置1如图1所示具备检测动作部2、电路部3和电源部4。
检测动作部2具有受光部10与温度补偿部15。受光部10具有至少1个APD。在本实施方式中，受光部10的APD是以线性模式动作的雪崩光电二极管。温度补偿部15进行受光部10的APD中的增益的温度补偿。温度补偿部15控制施加于受光部10的APD的偏置电压。在本实施方式中，温度补偿部15具有至少1个温度补偿用二极管。
电路部3对检测动作部2的受光部10及温度补偿部15施加电压。电路部3电连接于受光部10的APD及温度补偿部15的温度补偿用二极管的各电极。在本实施方式中，电路部3将温度补偿部15所包含的温度补偿用二极管成为击穿状态的电压施加于受光部10的APD。
电源部4产生使检测动作部2动作的电动势。电源部4经由电路部3对检测动作部2中的受光部10的APD及温度补偿部15的温度补偿用二极管施加电位。电源部4将温度补偿部15所包含的温度补偿用二极管设为击穿状态。
通过对温度补偿部15的温度补偿用二极管施加击穿电压，而将与该击穿电压对应的电压作为偏置电压施加于受光部10的APD。这些温度补偿用二极管与APD，关于增益与偏置电压的关系，具有同等的温度特性。在此情况下，若环境温度产生变化，则施加于温度补偿用二极管的击穿电压产生变化。通过施加于温度补偿用二极管的击穿电压的该变化，施加于上述APD的偏置电压也以维持上述APD的增益的方式根据环境温度而变化。即，通过温度补偿部15，进行受光部10的APD中的增益的温度补偿。
其次，参照图2，对光检测装置1的物理性结构的一个例子更详细地说明。图2是光检测装置的概略构成图。光检测装置1具备光检测部20、电动势产生部31、电流限制部32、偏置电压稳定化部33、及设定部40。光检测部20具有上述受光部10与温度补偿部15。电动势产生部31产生使光检测部20动作的电动势。电流限制部32限制流通于光检测部20的电流。偏置电压稳定化部33可进行通过电流限制部32限制的上限值以上的电流输出。设定部40控制光检测部20的动作。光检测部20的一部分包含于检测动作部2。光检测部20的一部分、偏置电压稳定化部33和设定部40包含于电路部3。电动势产生部31和电流限制部32包含于电源部4。
光检测部20如图2所示，除了APD11及温度补偿部15以外，还具有电连接温度补偿部15与APD11的配线部21、以及多个端子22、23、24、25。例如，端子22为第二端子，多个端子25为多个第一端子。在本说明书中，“电连接”及“被电连接”也包含通过开关等暂时地切断路径的结构。在本实施方式中，温度补偿部15包含3个温度补偿用二极管26、27、28来作为上述至少1个温度补偿用二极管。温度补偿部15也可包含4个以上的温度补偿用二极管。
APD11及温度补偿用二极管26、27、28包含于检测动作部2。配线部21及多个端子22、23、24、25包含于电路部3。APD11具有一对电极19a、19b。各温度补偿用二极管26、27、28具有一对电极29a、29b。例如，在电极29a为第一电极的情况下，电极29b为第二电极。例如，温度补偿用二极管28为第一温度补偿用二极管，温度补偿用二极管26为第二温度补偿用二极管，温度补偿用二极管27为第三温度补偿用二极管。
温度补偿用二极管26、27、28在相同的温度环境下，以分别不同的电压成为击穿状态。以下，将在温度补偿用二极管26、27、28成为击穿状态时施加于该温度补偿用二极管的电压、及将在APD11成为击穿状态时施加于APD11的电压称为“击穿电压”。在以下的说明中，在比较击穿电压的情况下，设为比较相同的环境温度下的击穿电压的情况。
多个温度补偿用二极管26、27、28具有相互不同的击穿电压。温度补偿用二极管26在高于温度补偿用二极管27的电压下具有击穿电压。温度补偿用二极管27在低于温度补偿用二极管26且高于温度补偿用二极管28的电压下具有击穿电压。温度补偿用二极管28在低于温度补偿用二极管26、27的电压下具有击穿电压。多个温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压均低于APD11的击穿电压。
配线部21相对于端子22及端子23的双方，并联连接APD11的电极19a、温度补偿用二极管26的电极29a、温度补偿用二极管27的电极29a和温度补偿用二极管28的电极29a。配线部21将与各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压对应的电压作为偏置电压施加于APD11。
端子22电连接于APD11的电极19a及各温度补偿用二极管26、27、28的电极29a与电源部4的电流限制部32。端子23电连接于APD11的电极19a及各温度补偿用二极管26、27、28的电极29a与偏置电压稳定化部33。端子24电连接于APD11的电极19b与未图示的信号读取电路。多个端子25电连接于各温度补偿用二极管26、27、28的电极29b与设定部40。各端子25连接于相互不同的温度补偿用二极管26、27、28的电极29b。在本实施方式中，电极19a为APD11的阳极，电极19b为APD11的阴极。电极29a为各温度补偿用二极管26、27、28的阳极，电极29b为各温度补偿用二极管26、27、28的阴极。
电动势产生部31及电流限制部32作为电源部4，对光检测部20施加电压。电动势产生部31与电流限制部32电连接于端子22。在本实施方式中，电动势产生部31的正极连接于地线36，电动势产生部31的负极经由电流限制部32连接于端子22。
偏置电压稳定化部33使自APD11输出的检测信号的上限值增加。偏置电压稳定化部33相对于光检测部20及电动势产生部31，与电流限制部32并联连接。偏置电压稳定化部33为例如电容器。在本实施方式中，电容器的一电极连接于电动势产生部31的负极，另一电极连接于端子23。在检测通过光的入射而自APD11输出的脉冲信号的情况下，根据该电容器的电容获得通过电流限制部32限制的电流值以上的强度的输出。
设定部40根据设定于APD11的增益，设定温度补偿部15。设定部40选择多个温度补偿用二极管26、27、28中动作的温度补偿用二极管。换言之，设定部40自多个温度补偿用二极管26、27、28设定偏置电压的控制所使用的温度补偿用二极管。设定部40通过控制多个温度补偿用二极管26、27、28的通电状态，而设定动作的温度补偿用二极管。
设定部40具有至少1个开关41。至少1个开关41连接于对应的端子25。在本实施方式中，设定部40具有2个开关41。一开关41通过对应的端子25，电连接于温度补偿用二极管27。另一开关41通过对应的端子25，电连接于温度补偿用二极管28。开关41切换对应的温度补偿用二极管27、28可通电的状态与不可通电的状态。设定部40控制开关41的接通断开。
在本实施方式中，光检测部20具有3个端子25。3个端子25逐一地连接于温度补偿用二极管26、27、28。连接于温度补偿用二极管26的端子25连接于地线46。连接于温度补偿用二极管27的端子25经由开关41连接于地线47。连接于温度补偿用二极管28的端子25经由开关41连接于地线48。即，仅1个端子25未连接于开关41。地线46、47、48也可相互连接。作为本实施方式的变形例，开关41也可连接于所有端子25。
其次，参照图3，对光检测装置1中的光检测部20的构造进行详细的说明。图3是光检测部的概略截面图。在图3中，作为温度补偿部15，仅显示温度补偿用二极管26、27、28中的1个。在本实施方式中，光检测部20如图3所示，为具备半导体基板50的光学构件。半导体基板50具有相互相对的主面50a、50b。APD11及各温度补偿用二极管26、27、28自正交于主面50a的方向观察，相互分离地形成于半导体基板50。APD11在主面50a侧具有光入射面51a。温度补偿用二极管26、27、28为被遮光的APD。
半导体基板50包含半导体区域51及半导体层52、53、54、55。APD11及各温度补偿用二极管26、27、28分别包含半导体区域51及半导体层52、53、55。
半导体区域51及半导体层53、54、55为第一导电类型，半导体层52为第二导电类型。半导体的杂质通过例如扩散法或离子注入法添加。在本实施方式中，第一导电类型为P型，第二导电类型为N型。在半导体基板50将Si设为基底的情况下，使用B等13族元素作为P型杂质，使用N、P或As等15族元素作为N型杂质。
半导体区域51位于半导体基板50的主面50a侧。半导体区域51构成主面50a的一部分。半导体区域51为例如P－型。
半导体层52构成主面50a的一部分。半导体层52自与主面50a正交的方向观察，与半导体区域51相接，且被半导体区域51包围。半导体层52为例如N+型。在本实施方式中，半导体层52在APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的各个中构成阴极。
半导体层53位于半导体区域51与半导体层52之间。换言之，半导体层53在主面50a侧与半导体层52相接，在主面50b侧与半导体区域51相接。半导体层53的杂质浓度高于半导体区域51。半导体层53为例如P型。在本实施方式中，各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53的杂质浓度高于APD11的半导体层53的杂质浓度。半导体层53在APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的各个中构成雪崩区域。
温度补偿用二极管27的半导体层53的杂质浓度高于温度补偿用二极管26的半导体层53的杂质浓度。温度补偿用二极管28的半导体层53的杂质浓度高于温度补偿用二极管27的半导体层53的杂质浓度。
半导体层54构成主面50a的一部分。半导体层54自与主面50a正交的方向观察，与半导体区域51相接，且被半导体区域51包围。在本实施方式中，半导体层54的杂质浓度高于半导体区域51及半导体层53。半导体层54为例如P+型。半导体层54在未图示的部分连接于半导体层55。半导体层54构成光检测装置1的阳极。半导体层54构成例如APD11、及各温度补偿用二极管26、27、28的阳极。
半导体层55位于较半导体区域51更靠近半导体基板50的主面50b侧。半导体层55构成主面50b的整个面。半导体层55在主面50a侧与半导体区域51相接。在本实施方式中，半导体层55的杂质浓度高于半导体区域51及半导体层53。半导体层55为例如P+型。半导体层55构成光检测装置1的阳极。半导体层55构成例如APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的阳极。
光检测装置1还具备设置于半导体基板50的主面50a上的绝缘膜61、电极62、63、64、钝化膜66、及反射防止膜67。绝缘膜61层叠于半导体基板50的主面50a上。绝缘膜61为例如硅氧化膜。电极62、63、64分别配置于绝缘膜61上。钝化膜66层叠于绝缘膜61及电极62、63、64上。反射防止膜67层叠于半导体基板50的主面50a上。
电极62贯通绝缘膜61，连接于APD11的半导体层52。电极62的一部分自钝化膜66露出，构成APD11的端子24。电极62在端子24中输出来自APD11的信号。
电极63贯通绝缘膜61，连接于各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层52。电极63的一部分自钝化膜66露出，构成各温度补偿用二极管26、27、28的端子25。
电极64贯通绝缘膜61，连接于半导体层54。即，电极64连接于APD11及各温度补偿用二极管26、27、28。换言之，APD11及各温度补偿用二极管26、27、28相对于电极64相互并联连接。电极64的一部分自钝化膜66露出，构成例如端子22。
在本实施方式中，端子24为APD11的阴极用的焊盘电极。端子25为温度补偿用二极管26、27、28的阴极用的焊盘电极。端子22为APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的阳极用的焊盘电极。
APD11及各温度补偿用二极管26、27、28相互并联连接于端子22。在对APD11及各温度补偿用二极管26、27、28施加逆向偏压的情况下，对阴极用的焊盘电极施加正电压，对阳极用的焊盘电极施加负电压。
反射防止膜67层叠于APD11的半导体层52上。反射防止膜67的一部分自钝化膜66露出。因此，在APD11的半导体层52，可入射透过反射防止膜67的光。各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层52由绝缘膜61覆盖而被遮光。
其次，对温度补偿部15更详细地进行说明。温度补偿部15的各温度补偿用二极管26、27、28与APD11，关于增益与偏置电压的关系，具有同等的温度特性。在光检测装置1中，将与各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压对应的电压作为偏置电压施加于APD11。
温度补偿部15以APD11的击穿电压与施加于APD11的偏置电压的差分电压成为一定的方式控制该偏置电压。该差分电压如以下那样决定。
在将施加于APD的偏置电压设为“Vr”，将被施加了该偏置电压的APD的增益设为“M”的情况下，以下的关系式成立。
[数5]
Figure BDA0003110474250000111
“a”及“b”为常数。自式(5)可知，在将“(1/M)×(dM/dVr)”设为反应变量且将“M”设为解释变量的情况下，关于表示APD的偏置电压与增益的关系的数据，斜率为“a”且截距为“b”的回归直线成立。如图4及图5所示，斜率“a”与截距“b”的温度依赖性极低。图4是显示施加于APD的偏置电压与被施加了该偏置电压的APD的增益的关系的数据的曲线图。在图4中，横轴表示APD的增益，纵轴表示“(1/M)×(dM/dVr)”的值。多条线表示分别不同的环境温度的数据。具体而言，图4表示100℃、80℃、60℃、40℃、20℃、0℃、-20℃、-40℃的8种温度环境下的数据。图5是显示取得的回归直线的斜率“a”及截距“b”的温度依赖性的曲线图。在图5中，横轴表示环境温度，纵轴表示“a”及“b”的值。实线表示“a”的数据，虚线表示“b”的数据。
在将施加于APD的偏置电压设为“Vr”，将被施加了该偏置电压的APD的增益设为“M”，将APD的击穿电压设为“Vbr”的情况下，以下的关系式成立。
[数6]
Figure BDA0003110474250000112
此处，式(5)及式(6)中的“a”表示互相相同的物理量。式(5)及式(6)中的“b”表示互相相同的物理量。
因此，若将自式(5)取得的“a”及“b”代入式(6)的“a”及“b”，则唯一地求出相对于所期望的增益的“(Vbr－Vr)”的值。“(Vbr－Vr)”是自APD的击穿电压减去施加于APD的偏置电压的减法运算值。即，“(Vbr－Vr)”为上述的差分电压。
在将上述的差分电压设为“ΔV”的情况下，式(6)如式(7)那样表示。
[数7]
Figure BDA0003110474250000121
因此，通过使用将式(7)中的APD的增益“M”作为所期望的增益“Md”的式(8)，容易地运算与所期望的增益对应的“ΔV”。
[数8]
Figure BDA0003110474250000122
具体而言，在任意的温度下取得表示施加于APD的偏置电压与被施加了该偏置电压的APD的增益的关系的数据。在取得的数据中将“(1/M)×(dM/dVr)”设为反应变量且将“M”设为解释变量的回归直线的斜率代入式(8)的“a”，及将回归直线的截距代入式(8)的“b”，将设定于APD11的所期望的增益代入式(8)的“Md”。由此，运算“ΔV”。温度补偿部15以上述差分电压成为被运算的“ΔV”的方式，控制施加于APD11的偏置电压。此处，表示被取得的偏置电压与增益的关系的数据若为具有与APD11相同的材料及构造的APD，则也可并非与APD11相同个体的APD的数据。
在本实施方式中，上述差分电压是自APD11的击穿电压减去与成为击穿状态的温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压对应的电压的减法运算值。在温度补偿部15中，将与成为击穿状态的温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压对应的电压作为偏置电压施加于APD11。
在本实施方式中，APD11的击穿电压与各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压具有相互不同的值。通过调整各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53的杂质浓度与APD11的半导体层53的杂质浓度，而调整APD11的击穿电压与温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压的差分电压。作为本实施方式的变形例，也可通过电路结构，调整上述差分电压。也可通过对端子25施加外部电压，而调整上述差分电压。在这些变形例的情况下，APD11的击穿电压与各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压也可相同。也可组合这多个方法，调整上述差分电压。
在本实施方式中，各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53的杂质浓度高于APD11的半导体层53的杂质浓度。其结果，APD11的击穿电压较各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压仅高“ΔV”。3个温度补偿用二极管26、27、28具有分别不同的击穿电压。3个温度补偿用二极管26、27、28被设计为取得分别不同的增益的二极管。通过式(8)在每个温度补偿用二极管26、27、28运算“ΔV”，根据运算的各个“ΔV”而设计各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53的杂质浓度。在关于温度补偿用二极管26、27、28的各个运算“ΔV”时，对“a”代入相同的值。同样地，在关于温度补偿用二极管26、27、28的各个运算“ΔV”时，对“b”代入相同的值。
在光检测装置1中，施加温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压，由此将该击穿电压作为偏置电压施加于APD11。在本实施方式中，温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压中的1个击穿电压作为偏置电压施加于APD11。通过设定部40控制将温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压中的哪一个击穿电压作为偏置电压施加于APD11。
其次，对本实施方式的光检测装置的动作进行说明。
在本实施方式中，端子22连接于P+型半导体层54，半导体层54连接于P+型半导体层55。因此，APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的阳极相对于端子22相互并联连接。其结果，通过电源部4对APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的阳极施加负电位。
电路部3将多个温度补偿用二极管26、27、28的任一个设为击穿状态。设定部40通过开关41，选择多个温度补偿用二极管26、27、28中动作的温度补偿用二极管。设定部40通过切换开关41的接通断开，选择将击穿电压作为偏置电压施加于APD11的温度补偿用二极管。设定部40以通过将设定于APD11的增益代入式(8)的“Md”而运算的“ΔV”成为差分电压的方式，自多个温度补偿用二极管26、27、28选择偏置电压的控制所使用的温度补偿用二极管。
被选择的温度补偿用二极管的击穿电压为施加于与该温度补偿用二极管对应的端子25的电位与施加于端子22的电位的电位差。因此，对APD11的阳极，施加与被选择的温度补偿用二极管的击穿电压对应的电位。其结果，将与被选择的温度补偿用二极管的击穿电压对应的电压作为偏置电压施加于APD11。
在本实施方式中，设定部40在使温度补偿用二极管28动作的情况下，将温度补偿用二极管26、27、28全部设为可通电的状态。即，设定部40将连接于多个端子25的开关41的全部设为接通。在此情况下，在处于可通电的状态的温度补偿用二极管26、27、28中，温度补偿用二极管28具有最小的击穿电压，因而温度补偿用二极管28进行动作。即，将温度补偿用二极管28的击穿电压作为偏置电压施加于APD11。
设定部40在使温度补偿用二极管27动作的情况下，将温度补偿用二极管26、27设为可通电的状态，将温度补偿用二极管28设为不可通电的状态。在本实施方式中，设定部40将连接于与温度补偿用二极管27对应的端子25的开关41设为接通，将连接于与温度补偿用二极管28对应的端子25的开关41设为断开。开关41未连接于与温度补偿用二极管26对应的端子25，因而成为可通电的状态。在此情况下，在处于可通电的状态的温度补偿用二极管26、27中，温度补偿用二极管27具有最小的击穿电压，因而温度补偿用二极管27进行动作。即，将温度补偿用二极管27的击穿电压作为偏置电压施加于APD11。
设定部40在使温度补偿用二极管26动作的情况下，将温度补偿用二极管26设为可通电的状态，将温度补偿用二极管27、28设为不可通电的状态。在本实施方式中，设定部40将连接于与温度补偿用二极管27、28对应的端子25的开关41设为断开。开关41未连接于与温度补偿用二极管26对应的端子25，因而成为可通电的状态。在此情况下，处于可通电的状态的温度补偿用二极管26进行动作。即，将温度补偿用二极管26的击穿电压作为偏置电压施加于APD11。
根据以上的动作，通过设定部40，选择APD11的增益。图6是显示与设定部40的设定对应的APD11的输出特性的曲线图。在图6中，纵轴表示APD11的输出电压，横轴表示时间。数据71、72、73分别表示相同强度的脉冲光入射至APD11时的APD11的输出特性。数据71表示温度补偿用二极管26动作的状态下的APD11的输出特性。数据72表示温度补偿用二极管27动作的状态下的APD11的输出特性。数据73表示温度补偿用二极管26动作的状态下的APD11的输出特性。
如图6所示，温度补偿用二极管26动作的状态下的APD11的输出峰大于温度补偿用二极管27动作的状态下的APD11的输出峰。温度补偿用二极管27动作的状态下的APD11的输出峰大于温度补偿用二极管28动作的状态下的APD11的输出峰。这样，确认了通过设定部40切换动作的温度补偿用二极管26、27、28，而选择APD11的增益。
在本实施方式中，设定部40不论温度补偿用二极管28是否为可通电的状态，均将温度补偿用二极管26设为可通电的状态。设定部40在温度补偿用二极管28不可通电的状态下，通过开关41，将温度补偿用二极管27在可通电的状态与不可通电的状态之间切换。以下，作为一个例子，对选择温度补偿用二极管28作为使设定部40动作的温度补偿用二极管的情况进行说明。
在本实施方式中，通过电动势产生部31与电流限制部32的组合连接于端子22，而对端子22施加被选择的温度补偿用二极管28的击穿电压。在本实施方式中，电动势产生部31的输出电压为APD11的动作电压以上。换言之，电动势产生部31的输出电压为各温度补偿用二极管26、27、28中的击穿电压的温度变动的上限以上。例如，电动势产生部31的输出电压为300V以上。电流限制部32由例如电流镜电路或电阻等构成。
根据被选择的温度补偿用二极管28与APD11的击穿电压差，APD11的增益可任意地设定。若APD11的增益设定为S/N比高的最佳倍增率Mopt，则实现检测精度的提高。
在本实施方式中，APD11及各温度补偿用二极管26、27、28的阳极以半导体层55一体地构成。例如，在25℃的环境温度下，施加于端子25的电位为0V，且被选择的温度补偿用二极管28的击穿电压为130V的情况下，对APD11的阳极施加－130V的电位。因此，在APD11的击穿电压在25℃的环境温度下为150V的情况下，APD11在阳极与阴极的电位差较击穿电压低20V的状态下动作。
如上所述，APD11与各温度补偿用二极管26、27、28关于增益与偏置电压的关系，具有同等的温度特性。因此，APD11只要被选择的温度补偿用二极管28成为击穿状态，则维持在25℃的环境温度下施加较击穿电压低20V的偏置电压的情况下的增益而动作。换言之，在光检测装置1中，通过将被选择的温度补偿用二极管28设为击穿状态的电压施加于该温度补偿用二极管28，而针对APD11的增益实现温度补偿。
其次，对上述实施方式及变形例的光检测装置的作用效果进行说明。一直以来，在制造具备具有相互同等的温度特性的APD与温度补偿用二极管的光检测装置的情况下，需要用于选定关于增益与偏置电压的关系具有所期望的温度特性的APD并予以组合的检查。因此，难以削减成本。关于该点，在光检测装置1中，在相同的半导体基板50分别形成APD11及各温度补偿用二极管26、27、28。在此情况下，与增益与偏置电压相关的温度特性较宽的温度范围内相互同等的温度补偿用二极管26、27、28与APD11相较于各温度补偿用二极管26、27、28与APD11形成于分别不同的半导体基板的情况，更容易地以高精度形成。因此，可一边抑制制造成本，一边实现对APD11的增益的温度补偿。
半导体基板50包含第一导电类型的半导体区域51。APD11及各温度补偿用二极管26、27、28分别包含半导体层52与半导体层53。在半导体基板50中，半导体层52为第二导电类型。半导体层53为杂质浓度高于半导体区域51的第一导电类型。半导体层53位于半导体区域51与半导体层52之间。这样，各温度补偿用二极管26、27、28为与APD11同样的结构。因此，可容易地形成关于增益与偏置电压的温度特性酷似于APD11的多个温度补偿用二极管26、27、28。
在半导体基板50中，各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53中的杂质浓度高于APD11的半导体层53中的杂质浓度。在此情况下，在光检测装置1中，例如APD11的击穿电压大于各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压。其结果，实现了对以线性模式动作的APD11的增益的温度补偿。
在光检测装置1中，决定通过将“(1/M)×(dM/dVr)”设为反应变量且将“M”设为解释变量的回归直线的斜率代入式(8)的“a”，将截距代入式(8)的“b”而获得所期望的增益的上述差分电压。因此，不严密地考虑环境温度，极其容易地获得所期望的增益。
温度补偿部15具有温度补偿用二极管26、27、28。温度补偿部15将与施加于温度补偿用二极管26、27、28的任一个的击穿电压对应的电压作为偏置电压施加于APD11。例如，在将温度补偿用二极管28设为击穿状态的情况下，差分电压是自APD11的击穿电压减去与温度补偿用二极管28的击穿电压对应的电压的减法运算值。因此，可导出获得所期望的增益的“ΔV”，且以上述减法运算值成为“ΔV”的方式，设计APD11及温度补偿用二极管26、27、28的杂质浓度。也可以上述减法运算值成为“ΔV”的方式，设计温度补偿用二极管26、27、28与APD11之间的电路。
光检测装置1具备设定部40与配线部21。设定部40根据设定于APD11的增益，设定温度补偿部15。配线部21电连接温度补偿部15与APD11。多个温度补偿用二极管26、27、28具有相互不同的击穿电压。配线部21将与各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压对应的电压作为偏置电压施加于APD11。设定部40以通过将设定于APD11的增益代入式(8)的“Md”而运算的“ΔV”成为差分电压的方式，自多个温度补偿用二极管26、27、28设定偏置电压的控制所使用的温度补偿用二极管。因此，通过设定部40，自多个温度补偿用二极管26、27、28设定偏置电压的控制所使用的温度补偿用二极管。因此，可不严密地考虑环境温度，极其容易地获得与状况对应的所期望的增益。换言之，可容易地切换所期望的增益且温度稳定地获得所期望的增益。
电路部3相对于端子22电连接且并联连接APD11与各温度补偿用二极管26、27、28。在该结构中，若将多个温度补偿用二极管26、27、28的任一个设为击穿状态，则成为击穿状态的温度补偿用二极管的击穿电压作为偏置电压施加于APD11。其结果，设定APD11的击穿电压与施加于APD11的偏置电压的差分电压，且APD11具有对应于该差分电压的增益。因此，根据设为击穿状态的温度补偿用二极管，相对于温度稳定地获得在APD11中与状况对应的所期望的增益。
电路部3具有至少1个开关41。开关41电连接于对应的温度补偿用二极管27、28。开关41切换对应的温度补偿用二极管27、28可通电的状态与不可通电的状态。多个温度补偿用二极管26、27、28包含温度补偿用二极管26与温度补偿用二极管28。温度补偿用二极管26具有高于温度补偿用二极管28的击穿电压。开关41电连接于温度补偿用二极管28。在此情况下，若温度补偿用二极管28通过开关41设为可通电的状态，则即使温度补偿用二极管26为可通电的状态，温度补偿用二极管28也优先成为击穿状态。这样，可以容易的控制切换在APD11中与状况对应的所期望的增益。
至少1个开关41连接于对应的端子25。对各温度补偿用二极管26、27、28的电极29a与APD11之间施加高电压。因此，相较于在电极29a与APD11之间配置开关41，经由端子25将开关41与电极29b电连接可实现更容易的控制。
电路部3不论温度补偿用二极管28是否为可通电的状态，均将温度补偿用二极管26设为可通电的状态。在此情况下，即使温度补偿用二极管28损伤，或在配置温度补偿用二极管28的附近引起局部的温度变化，温度补偿用二极管26也成为击穿状态。因此，防止较大电流流通于APD11，并防止光检测装置1的故障。
多个温度补偿用二极管26、27、28还包含温度补偿用二极管27。温度补偿用二极管27具有高于温度补偿用二极管28的击穿电压且低于温度补偿用二极管26的击穿电压的击穿电压。开关41电连接于温度补偿用二极管27。电路部3在温度补偿用二极管28不可通电的状态下，通过开关41，将温度补偿用二极管27在可通电的状态与不可通电的状态之间切换。在此情况下，在温度补偿用二极管28可通电的状态下，温度补偿用二极管28成为击穿状态。在温度补偿用二极管28不可通电的状态下，若温度补偿用二极管27成为可通电的状态，则温度补偿用二极管27成为击穿状态。在温度补偿用二极管28不可通电的状态下，若温度补偿用二极管27成为不可通电的状态，则温度补偿用二极管26成为击穿状态。这样，可以容易的控制切换在APD11中与状况对应的所期望的增益。
其次，参照图7，对光检测装置的制造方法的一个例子进行说明。图7是显示光检测装置1中半导体基板50的制造方法的流程图。
首先，准备半导体晶圆(工序S1)。半导体晶圆是作为半导体基板50被加工之前的基板，具有相互相对的主面50a、50b。半导体晶圆包含与半导体区域51对应的第一导电类型的半导体区域。该半导体区域设置于半导体晶圆的主面50a侧，构成主面50a的整个面。例如，半导体晶圆的半导体区域为P－型。在本实施方式中，在半导体晶圆，自主面50b侧添加杂质，由此形成杂质浓度高于半导体晶圆的半导体区域的第一导电类型的半导体层55。例如，半导体层55为P+型。
接着，决定APD11的击穿电压与施加于APD11的偏置电压的差分电压。决定方法如以下所述。
首先，取得将表示施加于APD的偏置电压与该APD的增益的相关的数据中的“(1/M)×(dM/dVr)”设为反应变量且将“M”设为解释变量的回归直线的斜率及截距(工序S2)。此处，“Vr”为施加于APD的偏置电压，“M”为被施加了该偏置电压的APD的增益。工序S2所使用的上述数据为由与APD11相同的材料及构造构成的个别体。
其次，使用工序S2中的取得结果与式(8)，决定获得所期望的增益的上述差分电压(工序S3)。上述差分电压相当于通过将取得的上述斜率代入式(8)的“a”，将取得的上述截距代入式(8)的“b”，将设定于APD11的所期望的增益代入式(8)的“Md”而运算的“ΔV”。在本实施方式中，决定相互不同的多个值作为设定于APD11的增益，且关于这些值决定多个上述差分电压。将通过将相互不同的多个值分别代入式(8)的“Md”而运算的多个“ΔV”被决定为与多个值的各个对应的上述差分电压。
接着，作为第一离子注入工序(工序S4)，通过离子注入法，在主面50a侧注入杂质离子而添加杂质，由此形成第二导电类型的半导体层52及第一导电类型的半导体层53、54。例如，半导体层52为N+型，半导体层53为P型，且半导体层54为P+型。在本实施方式中，半导体层52通过以一次离子注入处理，在相互分离的不同部位注入第二导电类型的杂质离子而形成。半导体层53在形成半导体层52之后，通过注入第一导电类型的杂质离子而形成。半导体层53也可在形成半导体层52之前，通过注入第一导电类型的杂质离子而形成。
半导体层52、53自与主面50a正交的方向观察，形成于相互重叠的位置。半导体层53通过在自主面50a侧观察较半导体层52更深的位置注入第一导电类型的杂质而形成。半导体层52、53在成为1个半导体基板50的区域内，形成于自与主面50a正交的方向观察相互分离的多个部位。该多个部位包含配置APD11的部位与配置各温度补偿用二极管26、27、28的部位。在第一离子注入工序中，以半导体层52的杂质浓度成为同等的方式，将第二导电类型的杂质添加于各部位。同样地，以半导体层53的杂质浓度成为同等的方式，将第一导电类型的杂质添加于各部位。
接着，作为第二离子注入工序(工序S5)，通过离子注入方法，在上述多个部位中仅一部分的部位的半导体层53进一步添加杂质。在本实施方式中，仅在配置各温度补偿用二极管26、27、28的部位中，在半导体层53进一步注入第一导电类型的杂质。因此，在光检测装置1中，各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53中的杂质浓度高于APD11的半导体层53中的杂质浓度。在此情况下，光检测装置1以APD11的击穿电压大于各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压的方式构成。
在工序S4及工序S5中注入至各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53的第一导电类型的杂质被注入的量与在工序S3中决定的差分电压对应。在本实施方式中，注入至温度补偿用二极管28的半导体层53的第一导电类型的杂质的量多于注入至温度补偿用二极管27的半导体层53的第一导电类型的杂质的量。由此，构成为温度补偿用二极管27的击穿电压大于温度补偿用二极管28的击穿电压。注入至温度补偿用二极管27的半导体层53的第一导电类型的杂质的量多于注入至温度补偿用二极管26的半导体层53的第一导电类型的杂质的量。由此，构成为温度补偿用二极管26的击穿电压大于温度补偿用二极管27的击穿电压。
在第二离子注入工序中，并非在配置各温度补偿用二极管26、27、28的部位，而是仅在配置APD11的部位，在半导体层53进一步注入第一导电类型的杂质。在此情况下，在光检测装置1，各温度补偿用二极管26、27、28的半导体层53中的杂质浓度低于APD11的半导体层53中的杂质浓度。在此情况的光检测装置1中，APD11的击穿电压构成为小于各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压。
通过以上工序，形成光检测装置1的半导体基板50。工序S2及工序S3可在工序S1之前执行，也可在工序S4之后执行。在本实施方式中，自已经形成了半导体层55的状态起形成了半导体层52、53、54。然而，也可在形成半导体层52、53、54之后，形成半导体层55。
在上述制造方法中，通过在不同的多个部位注入离子而在各部位形成半导体层52与半导体层53。之后，进一步在一部分的部位的半导体层53注入离子。因此，关于增益与偏置电压的温度特性同等，且可容易地制造分别设定为所期望的击穿电压的多个温度补偿用二极管26、27、28及APD11。在此情况下，根据各温度补偿用二极管26、27、28的击穿电压与APD11的击穿电压的差分电压，APD11的增益可任意地设定。因此，若各温度补偿用二极管26、27、28与APD11分别设定为所期望的击穿电压，则实现检测精度的提高。例如，若根据上述差分电压，将APD11的增益设定为S/N比高的最佳倍增率Mopt，则实现检测精度的提高。这样，在上述制造方法中，一边抑制制造成本，一边实现对APD11的增益的温度补偿，并实现检测精度的提高。
在上述差分电压的决定方法中，取得将“(1/M)×(dM/dVr)”设为反应变量且将“M”设为解释变量的回归直线的斜率及截距。通过将取得的斜率代入式(8)的“a”，将取得的截距代入式(8)的“b”而决定获得所期望的增益的上述差分电压。因此，不严密地考虑环境温度，极其容易地决定获得所期望的增益的上述差分电压。
在上述决定方法中，将相互不同的多个值作为设定于APD11的增益分别代入式(8)的“Md”而运算的多个“ΔV”被决定为与上述多个值的各个对应的差分电压。因此，可不严密地考虑环境温度，极其容易地决定与多个值的各个对应的多个上述差分电压。
以上，说明了本发明的实施方式及变形例，但本发明并非限定于上述的实施方式及变形例，在不脱离其要旨的范围内可进行各种变更。
在本实施方式中，说明了所谓贯穿(reach-through)型的APD11以线性模式动作的结构。光检测装置1也可为反向型的APD11以线性模式动作的结构。
在本实施方式中，说明了具有电动势产生部31、电流限制部32、偏置电压稳定化部33、及设定部40的光检测装置1。然而，本实施方式的光检测装置也可具有不包含电动势产生部31、电流限制部32、偏置电压稳定化部33、及设定部40的至少1者的结构。在此情况下，连接于光检测装置的外部装置也可作为电动势产生部31、电流限制部32、偏置电压稳定化部33、或设定部40发挥功能。光检测装置1也可包含未图示的信号读取电路。
在本实施方式中，说明了开关41连接于光检测部20的端子25，且该开关41通过设定部40控制的结构。然而，开关41也可配置于光检测部20的内部。
在本实施方式中，说明了端子22、23、24、25作为焊盘电极。然而，端子22、23、24、25也可通过半导体基板50内的半导体构成。
也可是切换各温度补偿用二极管26、27、28与APD11的电连接的开关41配置于配线部21，且配线部21内的开关41的接通断开通过设定部40控制。在此情况下，也通过设定部40，控制对APD11施加的偏置电压。在APD11与各温度补偿用二极管26、27、28之间施加高电压，因而相较于控制配置于配线部21的开关的情况，控制连接于端子25的开关41更容易。
在温度补偿部15，也可包含具有相互相同的击穿电压的多个温度补偿用二极管。根据该结构，即使温度补偿用二极管的一部分损伤，或在配置温度补偿用二极管的一部分的附近引起局部的温度变化，也可实现光检测装置1的正常动作。
符号的说明
1…光检测装置、11…APD、15…温度补偿部、26、27、28…温度补偿用二极管、21…配线部、40…设定部。

Claims (4)

1.一种决定方法，其中，
是关于具有雪崩光电二极管的光检测装置，决定电压的决定方法，
包含：
在将施加于所述雪崩光电二极管的偏置电压设为“Vr”，将被施加了该偏置电压的所述雪崩光电二极管的增益设为“M”的情况下，取得将表示所述偏置电压与所述增益的相关的数据中的“(1/M)×(dM/dVr)”设为反应变量且将“M”设为解释变量的回归直线的斜率及截距；及
决定所述雪崩光电二极管的击穿电压与所述偏置电压的差分电压，
所述光检测装置具有基于被决定的所述差分电压进行所述雪崩光电二极管的增益的温度补偿的温度补偿部，
在决定所述差分电压时，将通过将所述斜率代入下式(1)的“a”，将所述截距代入下式(1)的“b”，将设定于所述雪崩光电二极管的增益代入下式(1)的“Md”而运算的“ΔV”决定为所述差分电压，
[数1]
Figure FDA0003110474240000011
2.如权利要求1所述的决定方法，其中，
通过将相互不同的多个值作为设定于所述雪崩光电二极管的增益分别代入所述式(1)的“Md”而运算的多个“ΔV”，被决定为与所述多个值的各个对应的所述差分电压。
3.一种光检测装置，其中，
具备：
雪崩光电二极管；及
温度补偿部，其通过基于所述雪崩光电二极管的击穿电压与施加于所述雪崩光电二极管的偏置电压的差分电压控制所述偏置电压，从而进行所述雪崩光电二极管的温度补偿，
所述温度补偿部在将所述偏置电压设为“Vr”且将被施加了该偏压电的所述雪崩光电二极管的增益设为“M”的情况下，以关于表示所述偏置电压与所述增益的相关的数据，所述差分电压成为通过将“(1/M)×(dM/dVr)”设为反应变量且将“M”设为解释变量的回归直线的斜率代入下式(2)的“a”，将所述回归直线的截距代入下式(2)的“b”，将设定于所述雪崩光电二极管的增益代入下式(2)的“Md”而运算的“ΔV”的方式，控制所述偏置电压，
[数2]
Figure FDA0003110474240000021
4.如权利要求3所述的光检测装置，其中，
还具备：
设定部，其根据设定于所述雪崩光电二极管的增益，设定所述温度补偿部；及
配线部，其电连接所述温度补偿部与所述雪崩光电二极管，
所述温度补偿部具有具备相互不同的击穿电压的多个温度补偿用二极管，
所述配线部将与各所述温度补偿用二极管的击穿电压对应的电压作为偏置电压施加于所述雪崩光电二极管，
所述设定部以通过将设定于所述雪崩光电二极管的增益代入所述式(2)的“Md”而运算的“ΔV”成为所述差分电压的方式，自所述多个温度补偿用二极管设定所述偏置电压的控制所使用的所述温度补偿用二极管。
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