JP2020155503A - 光検出装置 - Google Patents

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健介 安田
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順之 戸田
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Shinji Kawahara
慎二 河原
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Kazuaki Yamaura
和章 山浦
山本　武志
Takeshi Yamamoto
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Abstract

【課題】検出精度が高い光検出装置を提供する。【解決手段】光検出装置は、隣り合う第１セル及び第２セルが設定された光検出装置である。前記光検出装置は、第１導電形の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた第２導電形の第２半導体層と、前記第１セルと前記第２セルとの間に設けられ、前記第１半導体層及び前記第２半導体層とは異なる材料からなる第１部材と、前記第１部材と前記第１セルとの間に設けられ、前記第１半導体層及び前記第２半導体層とは異なる材料からなる第２部材と、前記第１部材と前記第２セルとの間に設けられ、前記第１半導体層及び前記第２半導体層とは異なる材料からなる第３部材と、を備える。【選択図】図３

Description

実施形態は、光検出装置に関する。
従来より、微弱な光を検出する光検出装置として、複数のセルが配列され、セル毎にアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が設けられたＳｉＰＭ（Silicon Photomultiplier：シリコン光電子増倍管）が開発されている。このような光検出装置においても、検出精度の向上が要求されている。
特開２０１８−１２１１６４号公報
実施形態の目的は、検出精度が高い光検出装置を提供することである。
実施形態に係る光検出装置は、隣り合う第１セル及び第２セルが設定された光検出装置である。前記光検出装置は、第１導電形の第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた第２導電形の第２半導体層と、前記第１セルと前記第２セルとの間に設けられ、前記第１半導体層及び前記第２半導体層とは異なる材料からなる第１部材と、前記第１部材と前記第１セルとの間に設けられ、前記第１半導体層及び前記第２半導体層とは異なる材料からなる第２部材と、前記第１部材と前記第２セルとの間に設けられ、前記第１半導体層及び前記第２半導体層とは異なる材料からなる第３部材と、を備える。
第１の実施形態に係る光検出装置を示す平面図である。 第１の実施形態に係る光検出装置を示す一部拡大平面図である。 図２に示すＡ−Ａ’線による断面図である。 第１の実施形態に係る光検出装置の素子分離領域を示す一部拡大断面図である。 第１の実施形態に係る光検出装置を示す回路図である。 第１の実施形態に係る光検出装置の動作を示す断面図である。 第１の実施形態の変形例に係る光検出装置を示す断面図である。 第２の実施形態に係る光検出装置を示す断面図である。 第２の実施形態に係る光検出装置の動作を示す断面図である。 第２の実施形態の変形例に係る光検出装置を示す断面図である。 （ａ）は第３の実施形態に係る光検出装置を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ’線による断面図である。 第４の実施形態に係る光検出装置を示す平面図である。 第５の実施形態に係る光検出装置を示す平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、横軸に二次光子の波長をとり、縦軸に素子分離領域における光の反射率をとって、第１の試験例における光の反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は、横軸に二次光子の波長をとり、縦軸に素子分離領域における光の反射率をとって、第１の試験例における光の反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。 横軸に二次光子の波長をとり、縦軸に素子分離領域における光の反射率をとって、第２の試験例における光の反射率のシミュレーション結果を示すグラフ及び表である。 横軸に二次光子の波長をとり、縦軸に素子分離領域における光の反射率をとって、第２の試験例における光の反射率のシミュレーション結果を示すグラフ及び表である。
＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る光検出装置を示す平面図である。
図２は、本実施形態に係る光検出装置を示す一部拡大平面図である。
図３は、図２に示すＡ−Ａ’線による断面図である。
図４は、本実施形態に係る光検出装置の素子分離領域を示す一部拡大断面図である。
図５は、本実施形態に係る光検出装置を示す回路図である。
なお、各図は模式的なものであり、適宜省略及び強調されている。また、図間において、構成要素の縦横比等は必ずしも整合していない。後述する他の図についても同様である。
本実施形態に係る光検出装置１は、例えばＳｉＰＭである。
図１に示すように、本実施形態に係る光検出装置１においては、複数のセル１００が設けられている。複数のセル１００は、例えば、マトリクス状に配列されている。セル１００間には素子分離領域１０１が設けられている。一例では、光検出装置１には数十から数千個のセル１００が設けられている。上方から見て、セル１００の形状は矩形、例えば、正方形であり、セル１００の一辺の長さは数十〜百μｍ程度である。上方から見て、素子分離領域１０１の形状は各セル１００を囲む格子状である。光検出装置１に設けられた複数のセル１００のうち、隣り合う２つのセル１００を「セル１００ａ」及び「セル１００ｂ」ともいう。
図２及び図３に示すように、光検出装置１においては、導電形がｎ＋形のｎ＋形基板１１が設けられている。ｎ＋形基板１１は、例えば、単結晶のシリコン基板である。ｎ＋形基板１１上には、導電形がｐ形のｐ形半導体層１２が設けられている。ｐ形半導体層１２は、例えば、シリコンのエピタキシャル層である。ｎ＋形基板１１とｐ形半導体層１２との接触面は、ｐｎ界面１０となっている。
本実施形態においては、ｎ＋形基板１１からｐ形半導体層１２に向かう方向を「上」といい、ｐ形半導体層１２からｎ＋形基板１１に向かう方向を「下」というが、この表記は便宜的なものであり、重力の方向とは無関係である。また、「上」及び「下」を総称して「垂直方向」ともいう。本明細書において「上方から見て」との記載は、上から下に向かう方向の視線による観察を意味している。
ｐ形半導体層１２においては、ｐ形領域１３、ｐ−形領域１４、ｐ＋形領域１５及びｐ−形領域１６が設けられている。このうち、ｐ形領域１３、ｐ＋形領域１５、ｐ−形領域１６はセル１００内のみに設けられており、素子分離領域１０１には設けられていない。ｐ形領域１３はｎ＋形基板１１に接している。ｐ−形領域１４はｎ＋形基板１１上及びｐ形領域１３上に設けられており、ｐ形領域１３を覆っており、ｎ＋形基板１１及びｐ形領域１３に接している。ｐ＋形領域１５はｐ−形領域１４上に設けられており、ｐ−形領域１４に接し、ｐ形半導体層１２の上面に露出している。ｐ−形領域１６はｐ＋形領域１５を囲む枠状に設けられており、ｐ＋形領域１５及びｐ−形領域１４に接している。このため、セル１００の中央部においては、下から上に向かって、ｎ＋形基板１１、ｐ形領域１３、ｐ−形領域１４及びｐ＋形領域１５がこの順に配列されている。
本明細書において、「ｐ＋形」は導電形がｐ形であって「ｐ形」よりも不純物濃度が高いことを意味し、「ｐ−形」は導電形がｐ形であって「ｐ形」よりも不純物濃度が低いことを意味する。同様に、「ｎ＋形」は導電形がｎ形であって「ｎ形」よりも不純物濃度が高いことを意味し、「ｎ−形」は導電形がｎ形であって「ｎ形」よりも不純物濃度が低いことを意味する。また、「不純物濃度」とは、半導体材料の導電性に寄与する不純物の濃度をいい、同じ部分にドナーとなる不純物とアクセプタとなる不純物の双方が含まれている場合は、それらの相殺分を除いた実効的な濃度をいう。
素子分離領域１０１においては、ｐ形半導体層１２上に絶縁膜２０が設けられており、絶縁膜２０の直下にはｎ−形領域１９が設けられている。ｎ−形領域１９は絶縁膜２０に接し、ｎ＋形基板１１からは離隔している。そして、絶縁膜２０とｎ＋形基板１１との間に、１枚の板状部材２１及び２枚の板状部材２２が設けられている。１枚の板状部材２１及び２枚の板状部材２２は、隣り合う２つのセル１００ａとセル１００ｂとの間に配置されている。以下の説明においては、板状部材２１及び２２を総称して、単に「板状部材」ともいう。
板状部材の光の屈折率は、ｎ＋形基板１１及びｐ形半導体層１２の光の屈折率とは異なる。板状部材は、ｎ＋形基板１１及びｐ形半導体層１２の材料とは異なる材料からなり、例えば誘電体からなる。誘電体とは導電性よりも誘電性が優位な物質であり、絶縁体である。本実施形態においては、板状部材は、例えば、シリコン酸化物からなる。なお、板状部材２１の材料と板状部材２２の材料は異なっていてもよい。板状部材２１の上端２１Ｕ及び板状部材２２の上端２２Ｕは、絶縁膜２０に接している。板状部材２１の下端２１Ｌ及び板状部材２２の下端２２Ｌは、ｎ＋形基板１１内に位置している。すなわち、下端２１Ｌ及び２２Ｌは、ｐｎ界面１０よりも下方に位置している。
板状部材２１の形状は、複数のセル１００をそれぞれ囲む格子状である。板状部材２２の形状は、１つのセル１００を囲む枠状である。板状部材２２は、板状部材２１とセル１００との間に配置されている。換言すれば、板状部材２１は、複数のセル１００をそれぞれ囲んだ複数の板状部材２２を、さらにその外側から囲む。板状部材２２のうち、セル１００ａを囲む板状部材２２を「板状部材２２ａ」ともいい、セル１００ｂを囲む板状部材２２を「板状部材２２ｂ」ともいう。
隣り合う２つのセル１００を含む断面、例えば、図３及び図４に示すようなセル１００ａ及びセル１００ｂを含む断面において、板状部材２２ａ、板状部材２１、板状部材２２ｂは、周期的に配列されている。また、セル１００ａの中心とセル１００ｂの中心とを結ぶ仮想的な直線２０１に対して、板状部材２１の両側面２１ｃ及び２１ｄ、板状部材２２ａの両側面２２ｃ及び２２ｄ、板状部材２２ｂの両側面２２ｅ及び２２ｆは直交している。なお、直線２０１はｐｎ界面１０に平行である。セル１００の中心とは、例えば、上方から見てセル１００の重心をいい、例えば、セル１００の形状が矩形である場合には、対角線の交点をいう。
図４に示すように、板状部材２１の厚さをｔ２１とし、板状部材２２の厚さをｔ２２とする。厚さｔ２１及びｔ２２を総称して厚さｔという。また、板状部材に入射する波長をλとし、この光に対する板状部材の屈折率をｎ１とする。更に、ｍ１を０以上の整数とする。この場合、厚さｔは、概ね、以下の数式１を満たす。
Figure 2020155503
板状部材がシリコン酸化物（ＳｉＯ２）により形成されている場合、屈折率ｎ１は１．４５７である。光の波長λを９００ｎｍとすると、ｔ＝３０８ｍ１＋１５４［ｎｍ］である。例えば、ｍ１が０である場合は、ｔ＝１５４［ｎｍ］である。したがって、厚さｔは１５４ｎｍ程度とする。板状部材の厚さｔは一定であることが好ましいが、図６に例示するように、下にいくほど薄いテーパ形状であってもよい。また、板状部材２１の厚さｔ２１と板状部材２２の厚さｔ２２は異なっていてもよい。例えば、板状部材２１と板状部材２２で材料を異ならせた場合は、それぞれの材料の屈折率に基づいて、上記数式１にしたがって好適な厚さｔを算出する。このとき、板状部材２１と板状部材２２とで、整数ｍ１の値を異ならせてもよい。
また、ｐ−形領域１４における板状部材２１と板状部材２２との間の部分１４ａの幅をｄとする。また、上述の光に対するｐ−形領域１４の屈折率をｎ２とする。更に、ｍ２を０以上の整数とする。この場合、幅ｄは、概ね、以下の数式２を満たす。
Figure 2020155503
ｐ−形領域１４がシリコン（Ｓｉ）により形成されている場合、屈折率ｎ２は３．８８２である。光の波長λを９００ｎｍとすると、ｔ＝１１６ｍ２＋５８［ｎｍ］である。例えば、ｍ２が０である場合は、ｔ＝５８［ｎｍ］である。したがって、幅ｄは５８ｎｍ程度とする。幅ｄは一定であることが好ましいが、板状部材の厚さｔが下にいくほど薄くなる場合には、幅ｄは下にいくほど厚くなる。また、幅ｄは、ｐ−形領域１４の部分１４ａ毎に異なっていてもよい。
図３に示すように、絶縁膜２０上には、例えばポリシリコンからなる抵抗部材３１が設けられている。抵抗部材３１の一方の端部３１ａは、コンタクト３２、配線３３及びコンタクト３４を介して、ｐ＋形領域１５に接続されている。抵抗部材３１の他方の端部３１ｂは、コンタクト３５及び配線３６を介して接地電位ＧＮＤに接続される。また、ｎ＋形基板１１には、正の電源電位Ｖｒが印加される。
これにより、セル１００においては、ｎ＋形基板１１とｐ形半導体層１２により、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）３７が形成される。この結果、図５に示すように、セル１００においては、抵抗部材３１とＡＰＤ３７が直列に接続される。光検出装置１においては、セル１００が並列に接続される。
次に、本実施形態に係る光検出装置の動作について説明する。
図６は、本実施形態に係る光検出装置の動作を示す断面図である。
図６に示すように、光検出装置１のｎ＋形基板１１に正の電源電位Ｖｒを印加し、抵抗部材３１（図３参照）を介してｐ＋形領域１５に接地電位ＧＮＤを印加すると、ＡＰＤ３７に逆バイアス電圧が印加され、ｐｎ界面１０を起点として空乏層（図示せず）が拡がる。
この状態で、セル１００に光子２０２が入射すると、電子ｅと正孔ｈの対が発生し、電子ｅはｎ＋形基板１１に向かって流れ、正孔ｈはｐ＋形領域１５に向かって流れる。これにより、ＡＰＤ３７に順方向電流が流れ、ＡＰＤ３７がアバランシェ降伏する。この結果、ＡＰＤ３７においてアバランシェ電流が発生し、このアバランシェ電流が抵抗部材３１に流れ、抵抗部材３１の両端部間に電位差が生じる。光検出装置１は抵抗部材３１の両端部間の電位差を検出することにより、セル１００に光子２０２が入射したことを検出する。
このとき、セル１００内においては、アバランシェ降伏によって発生した電子−正孔対が再結合することにより、二次光子２０３が発生する。二次光子２０３が素子分離領域１０１に入射すると、周期的に配列された３枚の板状部材、すなわち、板状部材２２、板状部材２１及び板状部材２２により干渉されて反射される。これにより、二次光子２０３が素子分離領域１０１を透過することを抑制できる。この結果、あるセル１００内で発生した二次光子２０３が、素子分離領域１０１を越えて隣のセル１００に漏洩することを抑制でき、セル１００間のクロストークを抑制できる。すなわち、セル１００ａのみに光子２０２が入射したときに、セル１００ａにおいて発生した二次光子２０３が隣のセル１００ｂに入射し、セル１００ｂにおいてアバランシェ降伏を誘発し、光を誤検出することを抑制できる。したがって、光検出装置１は検出精度が高い。
＜第１の実施形態の変形例＞
次に、第１の実施形態の変形例について説明する。
図７は、本変形例に係る光検出装置を示す断面図である。
図７に示すように、本変形例に係る光検出装置１ａにおいては、板状部材２１及び２２がｎ＋形基板１１に到達しておらず、ｎ＋形基板１１から離隔している。すなわち、下端２１Ｌ及び２２Ｌは、ｐｎ界面１０よりも上方に位置している。但し、板状部材２１及び２２の下端２１及び２２ｂは、ｐ−形領域１４とｐ＋形領域１５との界面よりは下方に位置している。
ＡＰＤ３７に逆バイアス電圧が印加されたときに発生する空乏層は、最大でｐ−形領域１４とｐ＋形領域１５との界面付近まで到達する。このため、板状部材２１及び２２がｐ−形領域１４とｐ＋形領域１５との界面よりも下方まで延出していれば、空乏層内で発生した二次光子を反射する効果が得られる。本変形例に係る光検出装置１ａは、板状部材２１及び２２が浅いため、製造が容易である。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
図８は、本実施形態に係る光検出装置を示す断面図である。
図８に示すように、本実施形態に係る光検出装置２においては、導電形がｐ＋形のｐ＋形基板４１が設けられている。ｐ＋形基板４１は、例えば、単結晶のシリコン基板である。ｐ＋形基板４１上には、導電形がｐ−形のｐ−形領域４２が設けられている。ｐ−形領域４２は、例えば、シリコンのエピタキシャル層である。ｐ＋形基板４１及びｐ−形領域４２は、セル１００及び素子分離領域１０１の双方に設けられている。
セル１００において、ｐ−形領域４２上には、導電形がｐ形のｐ形領域４３が設けられている。また、素子分離領域１０１において、ｐ−形領域４２上には、導電形がｐ−形のｐ−形領域４４が設けられている。ｐ＋形基板４１、ｐ−形領域４２、ｐ形領域４３及びｐ−形領域４４により、ｐ形半導体層４５が形成されている。
セル１００において、ｐ形領域４３上には、導電形がｎ＋形のｎ＋形半導体層４６が設けられている。ｎ＋形半導体層４６はｐ形領域４３及びｐ−形領域４２に接している。このため、セル１００の中央部においては、下から上に向かって、ｐ＋形基板４１、ｐ−形領域４２、ｐ形領域４３及びｎ＋形半導体層４６がこの順に配列されている。ｎ＋形半導体層４６とｐ形領域４３との界面、及び、ｎ＋形半導体層４６とｐ−形領域４２との界面が、ｐｎ界面５０となっている。これにより、セル１００においては、ｎ＋形半導体層４６と、ｐ形領域４３及びｐ−形領域４２により、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）５１が形成される。
素子分離領域１０１においては、絶縁膜２０が設けられている。ｐ−形領域４４は絶縁膜２０に接している。ｐ＋形基板４１と絶縁膜２０との間には、板状部材２１及び２２が設けられている。板状部材２１及び２２の構成は、第１の実施形態と同様である。板状部材２１の下端２１Ｌ及び板状部材２２の下端２２Ｌは、ｐ＋形基板４１内に位置している。すなわち、下端２１Ｌ及び２２Ｌは、ｐ＋形基板４１とｐ−形領域４２との界面よりも下方に位置している。
次に、本実施形態に係る光検出装置２の動作について説明する。
図９は、本実施形態に係る光検出装置の動作を示す断面図である。
図９に示すように、光検出装置２のｐ＋形基板４１に接地電位ＧＮＤを印加し、抵抗部材３１（図８参照）を介してｎ＋形半導体層４６に正の電源電位Ｖｒを印加すると、ＡＰＤ５１に逆バイアス電圧が印加され、ｐｎ界面５０を起点として空乏層（図示せず）が拡がる。
この状態で、セル１００に光子２０２が入射すると、電子ｅと正孔ｈの対が発生し、電子ｅはｎ＋形半導体層４６に向かって流れ、正孔ｈはｐ＋形基板４１に向かって流れる。これにより、ＡＰＤ５１に順方向電流が流れ、ＡＰＤ５１がアバランシェ降伏する。これにより、光検出装置２はセル１００に光子２０２が入射したことを検出する。
このとき、セル１００内においては、アバランシェ降伏によって発生した電子−正孔対が再結合することにより、二次光子２０３が発生する。但し、二次光子２０３が発生する位置は空乏層内であり、空乏層はｐｎ界面５０を起点として拡がるため、光検出装置２において二次光子２０３が発生する位置は、第１の実施形態に係る光検出装置１（図６参照）において二次光子２０３が発生する位置よりも上方である。二次光子２０３は、素子分離領域１０１に設けられた板状部材２２、板状部材２１及び板状部材２２により干渉されて反射されるため、隣のセル１００には漏洩しにくい。このため、光検出装置２は検出精度が高い。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。
＜第２の実施形態の変形例＞
次に、第２の実施形態の変形例について説明する。
図１０は、本変形例に係る光検出装置を示す断面図である。
図１０に示すように、本変形例に係る光検出装置２ａにおいては、板状部材２１及び２２がｐ＋形基板４１に到達しておらず、ｐ＋形基板４１から離隔している。但し、板状部材２１及び２２の下端２１Ｌ及び２２Ｌは、ｐ形領域４３とｎ＋形半導体層４６のｐｎ界面５０よりは下方に位置している。
ＡＰＤ５１に逆バイアスが印加されたときに発生する空乏層は、ｐｎ界面５０を起点として発生するため、板状部材２１及び２２がｐｎ界面５０よりも下方まで延出していれば、空乏層内で発生した二次光子を反射する効果が得られる。本変形例に係る光検出装置２ａは、板状部材２１及び２２が浅いため、製造が容易である。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、第２の実施形態と同様である。
＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態について説明する。
図１１（ａ）は本実施形態に係る光検出装置を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ’線による断面図である。
図１１（ａ）及び（ｂ）においては、セル１００内の詳細な構成は図示を省略している。
図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る光検出装置３は、第１の実施形態に係る光検出装置１（図１〜図６参照）と比較して、板状部材２１の替わりに相互に離隔した２枚の板状部材２３が設けられている点が異なっている。板状部材２３の形状は枠状であり、それぞれ板状部材２２を囲み、したがって、板状部材２２を介してセル１００を囲んでいる。板状部材２３のうち、板状部材２２ａ及びセル１００ａを囲む板状部材２３を「板状部材２３ａ」ともいい、板状部材２２ｂ及びセル１００ｂを囲む板状部材２３を「板状部材２３ｂ」ともいう。
板状部材２３の組成は、板状部材２２の組成と略同じである。また、板状部材２３の上端及び下端の垂直方向における位置も、板状部材２２の上端及び下端の位置と略同じである。このため、光検出装置３においては、隣り合うセル１００間に４枚の板状部材が配置されている。隣り合う２つのセル１００を含む断面において、板状部材２２、板状部材２３、板状部材２３、及び、板状部材２２は、周期的に配列されている。例えば、セル１００ａとセル１００ｂとの間には、板状部材２２ａ、板状部材２３ａ、板状部材２３ｂ及び板状部材２２ｂが、この順に周期的に配列されている。
本実施形態によれば、隣り合うセル１００間に４枚の板状部材を配置し、周期的に配列させることにより、二次光子を効果的に干渉させて、反射効率をより向上させることができる。この結果、二次光子の隣のセル１００への漏洩をより効果的に抑制し、検出精度をより向上させることができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。
なお、第１及び第２の実施形態においては、隣り合うセル１００間に３枚の板状部材を配置する例を示し、本実施形態においては、隣り合うセル１００間に４枚の板状部材を配置する例を示したが、本発明はこれには限定されず、隣り合うセル１００間に５枚以上の板状部材を配置してもよい。また、各板状部材の形状は枠状としてもよく格子状としてもよい。
＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態について説明する。
図１２は、本実施形態に係る光検出装置を示す平面図である。
図１２においては、セル１００内及び素子分離領域１０１内の構成は図示を省略している。
図１２に示すように、本実施形態に係る光検出装置４においては、上方から見て、セル１００の形状が八角形である。セル１００の形状は、例えば、正方形の角部を斜辺にした形状である。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。
＜第５の実施形態＞
次に、第５の実施形態について説明する。
図１３は本実施形態に係る光検出装置を示す平面図である。
図１３においては、セル１００内及び素子分離領域１０１内の構成は図示を省略している。
図１３に示すように、本実施形態に係る光検出装置５においては、上方から見て、セル１００の形状が六角形であり、例えば、ハニカム状に配列されている。これにより、上方から見て、セル１００の単位面積当たりの端縁の長さを短くすることができる。この結果、光検出装置５におけるセル１００の面積比率を高めることができ、光の検出精度をより一層向上させることができる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。
なお、前述の第１〜第３の実施形態においては、上方から見て、セル１００の形状が四角形である例を示し、第４の実施形態においては、セル１００の形状が八角形である例を示し、第５の実施形態においては、セル１００の形状が六角形である例を示したが、セル１００の形状はこれらには限定されない。セル１００の形状は任意の形状とすることができ、例えば、多角形、円形又は楕円形とすることができる。また、前述の各実施形態は、任意に組み合わせて実施することができる。例えば、第２の実施形態で説明したような空乏層がセルの上部に形成されるような光検出装置において、第３の実施形態で説明したように、隣り合うセル間に板状部材を４枚配置してもよく、第４及び第５の実施形態で説明したような平面レイアウトを採用してもよい。
＜第１の試験例＞
次に、第１の試験例について説明する。
図１４（ａ）及び（ｂ）、図１５（ａ）及び（ｂ）は、横軸に二次光子の波長をとり、縦軸に素子分離領域における光の反射率をとって、本試験例における光の反射率のシミュレーション結果を示すグラフである。
先ず、シミュレーションの共通条件について説明する。
光検査装置の構成は、図４に示すように、３本又は４本の板状部材が周期的に配列されている構成を想定した。板状部材の厚さｔは板状部材間及び板状部材内で均一であるものとし、板状部材間の半導体層の幅ｄも均一であるものとした。板状部材はシリコン酸化物からなり、半導体層はシリコンからなるものとした。シリコン酸化物の屈折率ｎ１は１．４５７とし、シリコンの屈折率ｎ２は３．８８２とした。
二次光子２０３の入射方向が直線２０１に対してなす角度とθ［°］とした。直線２０１は、板状部材の両側面に対して直交する直線である。また、各条件において、板状部材の厚さｔ及び半導体層の部分１４ａの幅ｄが設計値どおりの場合、すなわち、誤差が０％である場合を実線で示し、設計値＋１０％の場合、すなわち、実際のサイズが設計値よりも１０％大きくなった場合を一点鎖線で示し、設計値−１０％の場合、すなわち、実際のサイズが設計値よりも１０％小さくなった場合を破線で示す。
次に、個別のシミュレーション条件及び結果について説明する。
図１４（ａ）及び（ｂ）は、板状部材の厚さｔが１５４ｎｍであり、半導体層の部分１４ａの幅ｄが５８ｎｍであり、角度θが０°である場合を示す。これらの厚さｔ及び幅ｄの値は、光の波長λが９００ｎｍであり、整数ｍ１及びｍ２が０であるときに、上述の数式１及び２を満たすような値である。図１４（ａ）は板状部材が３枚である場合を示し、図１４（ｂ）は板状部材が４枚である場合を示す。
図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、上記条件において、厚さｔ及び幅ｄが設計値どおりの場合（０％）には、波長λが概ね７００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の範囲で、反射率が０．９５以上となった。また、厚さｔ及び幅ｄが設計値＋１０％の場合及び設計値−１０％の場合を含めても、板状部材が３枚の場合（図１４（ａ））は、波長λが概ね７３０ｎｍ以上１０８０ｎｍ以下の範囲で反射率が０．８以上となり、板状部材が４枚の場合（図１４（ｂ）参照）は、波長λが概ね７４０ｎｍ以上１１２０ｎｍ以下の範囲で反射率が０．８以上となった。
図１５（ａ）及び（ｂ）は、板状部材の厚さｔが１５４ｎｍであり、半導体層の部分１４ａの幅ｄが１７４ｎｍであり、角度θが０°である場合を示す。これらの厚さｔ及び幅ｄの値は、光の波長λが９００ｎｍであり、整数ｍ１が０であり、整数ｍ２が１であるときに、上述の数式１及び２を満たすような値である。図１５（ａ）は板状部材が３枚である場合を示し、図１５（ｂ）は板状部材が４枚である場合を示す。
図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、上記条件の場合は、厚さｔ及び幅ｄが設計値どおりの場合（０％）には、波長λが概ね７７０ｎｍ以上９２０ｎｍ以下の範囲で、反射率が０．９５以上となった。また、厚さｔ及び幅ｄが設計値＋１０％の場合及び設計値−１０％の場合を含めると、板状部材が３枚の場合（図１５（ａ））は、波長λが概ね７９０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の範囲で反射率が０．８以上となり、板状部材が４枚の場合（図１５（ｂ）参照）は、波長λが概ね７９０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の範囲で反射率が０．８以上となった。
このように、本試験例によれば、二次光子の中心波長９００ｎｍ付近で良好な反射率が得られ、隣のセル１００への透過が抑制されることが確認された。特に、上記数式１及び２において、整数ｍ１及びｍ２が０である場合には、広い波長範囲で高い反射率が得られた。また、寸法の変動に対する依存性も少なかった。
＜第２の試験例＞
次に、第２の試験例について説明する。
図１６及び図１７は、横軸に二次光子の波長をとり、縦軸に素子分離領域における光の反射率をとって、本試験例における光の反射率のシミュレーション結果を示すグラフ及び表である。
本試験例においては、板状部材の厚さｔを１５４ｎｍとし、半導体層の部分１４ａの幅ｄを５８ｎｍとし、角度θを０〜４５°の範囲で変化させた。他の条件は、第１の試験例と同様である。図１６は板状部材が３枚である場合を示し、図１７は板状部材が４枚である場合を示す。
図１６及び図１７に示すように、二次光子が板状部材に入射する角度θが０〜４５°の範囲で変化しても、概ね６５０ｎｍ以上１０５０ｎｍ以下の波長範囲で、反射率が０．５以上となった。このように、角度θがばらついても、隣のセルへの二次光子の漏洩を抑制する効果が確認された。
以上説明した実施形態によれば、検出精度が高い光検出装置を実現することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。
１、１ａ、２、２ａ、３、４、５：光検出装置
１０：ｐｎ界面
１１：ｎ＋形基板
１２：ｐ形半導体層
１３：ｐ形領域
１４：ｐ−形領域
１４ａ：部分
１５：ｐ＋形領域
１６：ｐ−形領域
１９：ｎ−形領域
２０：絶縁膜
２１、２２、２２ａ、２２ｂ、２３、２３ａ、２３ｂ：板状部材
２１Ｕ、２２Ｕ：上端
２１Ｌ、２２Ｌ：下端
２１ｃ、２１ｄ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ：側面
３１：抵抗部材
３１ａ、３１ｂ：端部
３２：コンタクト
３３：配線
３４、３５：コンタクト
３６：配線
３７：アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
４１：ｐ＋形基板
４２：ｐ−形領域
４３：ｐ形領域
４４：ｐ−形領域
４５：ｐ形半導体層
４６：ｎ＋形半導体層
５０：ｐｎ界面
５１：アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
１００、１００ａ、１００ｂ：セル
１０１：素子分離領域
２０１：直線
２０２：光子
２０３：二次光子
ｄ、ｄａ：幅
ｅ：電子
ＧＮＤ：接地電位
ｈ：正孔
ｔ、ｔ２１、ｔ２２：厚さ
Ｖｒ：電源電位
θ：角度
λ：波長

Claims (13)

  1. 隣り合う第１セル及び第２セルが設定された光検出装置であって、
    第１導電形の第１半導体層と、
    前記第１半導体層上に設けられた第２導電形の第２半導体層と、
    前記第１セルと前記第２セルとの間に設けられ、前記第１半導体層及び前記第２半導体層とは異なる材料からなる第１部材と、
    前記第１部材と前記第１セルとの間に設けられ、前記第１半導体層及び前記第２半導体層とは異なる材料からなる第２部材と、
    前記第１部材と前記第２セルとの間に設けられ、前記第１半導体層及び前記第２半導体層とは異なる材料からなる第３部材と、
    を備えた光検出装置。
  2. 前記第１部材、前記第２部材及び前記第３部材は、誘電体からなる請求項１記載の光検出装置。
  3. 前記第１部材の形状は、前記第１セル及び前記第２セルをそれぞれ囲む格子状である請求項１または２に記載の光検出装置。
  4. 前記第２部材は前記第１セルを囲み、前記第３部材は前記第２セルを囲む請求項１〜３のいずれか１つに記載の光検出装置。
  5. 前記第１セル及び前記第２セルを含む断面において、前記第１部材、前記第２部材及び前記第３部材は周期的に配列されている請求項１〜４のいずれか１つに記載の光検出装置。
  6. 前記第１セルの中心と前記第２セルの中心とを結ぶ直線に対して、前記第１部材の両側面、前記第２部材の両側面及び前記第３部材の両側面が直交している請求項１〜５のいずれか１つに記載の光検出装置。
  7. 前記第２半導体層は、
    前記第１半導体層に接した第１領域と、
    前記第１領域上に設けられ、不純物濃度が前記第１領域の不純物濃度よりも低い第２領域と、
    前記第２領域上に設けられ、不純物濃度が前記第２領域の不純物濃度よりも高い第３領域と、
    を有し、
    前記第１部材の下端、前記第２部材の下端、及び、前記第３部材の下端は、前記第２領域と前記第３領域の界面よりも下方に位置する請求項１〜６のいずれか１つに記載の光検出装置。
  8. 前記第１部材の下端、前記第２部材の下端、及び、前記第３部材の下端は、前記第１半導体層と前記第２半導体層の界面よりも下方に位置する請求項７記載の光検出装置。
  9. 前記第１半導体層は、
    第１領域と、
    前記第１領域上に設けられ、不純物濃度が前記第１領域の不純物濃度よりも低い第２領域と、
    前記第２領域上に設けられ、前記第２半導体層に接し、不純物濃度が前記第２領域の不純物濃度よりも高い第３領域と、
    を有し、
    前記第１部材の下端、前記第２部材の下端、及び、前記第３部材の下端は、前記第３領域と前記第２半導体層の界面よりも下方に位置する請求項１〜６のいずれか１つに記載の光検出装置。
  10. 前記第１部材の下端、前記第２部材の下端、及び、前記第３部材の下端は、前記第１領域と前記第２領域の界面よりも下方に位置する請求項９記載の光検出装置。
  11. 前記第１部材と前記第３部材との間に設けられ、前記第１半導体層及び前記第２半導体層とは異なる材料からなる第４部材をさらに備えた請求項１〜１０のいずれか１つに記載の光検出装置。
  12. 前記第４部材は前記第２セルを囲む請求項１１記載の光検出装置。
  13. 前記第１セル及び前記第２セルのそれぞれについて、前記第１半導体層又は前記第２半導体層に接続された抵抗部材をさらに備えた請求項１〜１２のいずれか１つに記載の光検出装置。
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