JP7531408B2 - 光検出器、光検出システム、ライダー装置、移動体及び車 - Google Patents

光検出器、光検出システム、ライダー装置、移動体及び車 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、光検出器、光検出システム、ライダー装置、移動体及び車に関する。
半導体領域に入射した光を検出する光検出器がある。光検出器について、性能の向上が望まれている。
特開２０１４－９００３４号公報
本発明の実施形態は、性能を向上可能な、光検出器、光検出システム、ライダー装置、移動体及び車を提供する。
本発明の実施形態によれば、光検出器は、複数の素子と、クエンチ部と、複数のレンズと、屈折層と、を含む。前記複数の素子のそれぞれは、第１導電形の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の上に設けられ前記第１半導体領域よりも高い第１導電形の不純物濃度を有する第１導電形の第２半導体領域と、前記第２半導体領域の上に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、を含む。前記複数の素子は、前記第１半導体領域から前記第２半導体領域へ向かう第１方向と交差する第２方向において第１周期で並ぶ。前記クエンチ部は、前記第３半導体領域と電気的に接続される。前記複数のレンズは、前記複数の素子のそれぞれの上に設けられる。前記複数のレンズのうちの１つが前記複数の素子うちの１つの上に位置する。前記屈折層は、前記複数の素子と前記複数のレンズとの間に設けられ第１厚さある。前記第１周期に対する前記第１厚さの比は、０．１６以上０．７２以下である。
図１は、第１実施形態に係る光検出器を例示する模式的平面図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式図である。 図３（ａ）～図３（ｃ）は、光検出器における光路の計算結果を表す模式的断面図である。 図４は、光検出器における光吸収効率の計算結果を表すグラフ図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１実施形態に係る別の光検出器の一部を例示する模式的平面図である。 図６は、第１実施形態に係る別の光検出器の一部を例示する断面図である。 図７は、第２実施形態に係る光検出器を例示する平面図である。 図８は、第２実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式的断面図である。 図９（ａ）～図９（ｄ）は、第２実施形態に係る別の光検出器の一部を例示する模式的平面図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第２実施形態に係る別の光検出器の一部を例示する模式的断面図である。 図１１は、第２実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式的平面図である。 図１２は、第２実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式的断面図である。 図１３は、第２実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式的平面図である。 図１４は、第２実施形態に係る光検出器の一部を表す平面図である。 図１５は、第２実施形態に係る光検出器の一部を表す平面図である。 図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、光検出器のアバランシェ領域の分布範囲の計算結果を表す模式的断面図である。 図１７は、アバランシェ確率の分布の計算結果を表すグラフ図である。 図１８（ａ）～図１８（ｃ）は、光検出器における光路の計算結果を表す模式的断面図である。 図１９は、第３実施形態に係るライダー（Ｌａｓｅｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ：ＬＩＤＡＲ）装置を例示する模式図である。 図２０は、ライダー装置の検出対象の検出を説明するための図である。 図２１は、第３実施形態に係るライダー装置を備えた車の上面略図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光検出器を例示する模式的平面図である。
図１に表したように、第１実施形態に係る光検出器１００は、複数の素子１０（受光素子）と、屈折層３０と、複数のレンズ４０と、を含む。複数の素子１０の上に屈折層３０が設けられ、屈折層３０の上にレンズ４０が設けられている。
複数の素子１０は、Ｘ－Ｙ平面に沿って、アレイ状または格子状に並んでいる。例えば、複数の素子１０は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において、周期的に等ピッチで並んでいる。
なお、実施形態の説明においては、Ｘ－Ｙ平面に対して交差する方向、又は、後述する第１半導体領域１１（図２参照）から第２半導体領域１２（図２参照）へ向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な方向な方向をＸ軸方向（第２方向）とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向（第３方向）とする。また、説明のために、第１半導体領域１１から第２半導体領域１２に向かう方向を「上」と言い、その反対方向を「下」と言う。これらの方向は、第１半導体領域１１と第２半導体領域１２との相対的な位置関係に基づき、重力の方向とは無関係である。「上」は、レンズ４０が設置される光検出器の光が入射される側に対応する。
複数のレンズ４０のそれぞれは、複数の素子１０のそれぞれの上に設けられる。言い換えれば、複数のレンズ４０は、複数の素子１０の周期に合わせて配列されており、複数のレンズ４０のうちの１つは、複数の素子１０のうちの１つの上に位置している。複数のレンズ４０は、例えばマイクロレンズアレイである。マイクロレンズアレイは、受光素子が配置されていないエリアに照射される光の光路を屈折により変更し、受光素子内に照射することで光検出器の受光感度を向上させる。
複数の素子１０は、Ｘ軸方向において第１周期Ｌ１で並び、Ｙ軸方向において第２周期Ｌ２で並ぶ。この例では、１つの素子１０において、Ｘ軸方向の長さとＹ軸方向の長さとは、実質的に互いに同じである。また、この例では、Ｚ軸方向から見たときに、複数の素子１０の形状は、実質的に互いに同じであり、第１周期Ｌ１と第２周期Ｌ２とは、実質的に互いに等しい。
例えば、複数の素子１０は、第１素子１０ａと、第２素子１０ｂと、第３素子１０ｃと、を含む。第２素子１０ｂは、第１素子１０ａとＸ軸方向において隣接している。第３素子１０ｃは、第１素子１０ａとＹ軸方向において隣接している。周期（ピッチ）は、位置の繰り返しの単位の長さである。第１周期Ｌ１は、第１素子１０ａのＸ軸方向の中心と、第２素子１０ｂのＸ軸方向の中心と、を結ぶ長さに対応する。また、第２周期Ｌ２は、第１素子１０ａのＹ軸方向の中心と、第３素子１０ｃのＹ軸方向の中心と、を結ぶ長さに対応する。例えば、第１素子１０ａと隣接する別の素子１０のうち、第１素子１０ａの中心と当該別の素子の中心とを結ぶ距離が最小となる素子１０を第２素子１０ｂとする。
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式図である。
図２（ａ）は、図１に示したＡ１－Ａ２線断面を示す。すなわち、図２（ａ）は、図１に示した光検出器１００の１つ分、言い換えると周期構造の１周期分の断面を表す。図２（ａ）に表したように、光検出器１００は、電極５０と、半導体層２２（第２半導体層）と、素子１０（第１半導体領域１１、第２半導体領域１２、及び第３半導体領域１３）と、屈折層３０と、レンズ４０と、導電部６１と、を含む。図２（ｂ）は、図２（ａ）に対応する回路図である。図２（ｂ）に表したように、光検出器１００は、クエンチ部６３と、第１配線５１と、をさらに含む。なお、図２（ａ）においては、便宜上、クエンチ部６３及び第１配線５１を省略している。また、図１では、配線等の図示は、省略している。
電極５０は、例えば裏面電極である。半導体層２２は、電極５０の上に設けられ、電極５０と電気的に接続される。半導体層２２は、例えば、第１導電形の半導体基板である。
第１半導体領域１１は、半導体層２２の上に設けられ、半導体層２２と接する。第１半導体領域１１は、第１導電形であり、半導体層２２と電気的に接続される。
第２半導体領域１２は、第１半導体領域１１の上に設けられ、第１半導体領域１１と接する。第２半導体領域１２は、第１導電形であり、第１半導体領域１１と電気的に接続される。第２半導体領域１２の第１導電形の不純物濃度は、第１半導体領域１１の第１導電形の不純物濃度よりも高い。
第３半導体領域１３は、第２半導体領域１２の上に設けられ、第２半導体領域１２と接する。第３半導体領域１３は、第２導電形であり、第２半導体領域１２と電気的に接続される。
第１導電形は、ｐ形及びｎ形の一方である。第２導電形は、ｐ形及びｎ形の他方である。以下では、第１導電形がｐ形、第２導電形がｎ形の場合について説明する。
第１半導体領域１１、第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３は、例えば１つの半導体層２１（第１半導体層）に設けられた領域である。第２半導体領域１２と第３半導体領域１３との界面でｐｎ接合が形成される。例えば、第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３は、半導体層２１内に設けられた拡散層である。第２半導体領域１２と第３半導体領域１３とによって、フォトダイオードが形成される。複数の素子１０のそれぞれが、第１半導体領域１１、第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３を含む。
この例では、第３半導体領域１３の幅は、第２半導体領域１２の幅よりも広い。「幅」とは、Ｚ軸方向に垂直な方向（例えばＸ軸方向）に沿った長さである。ただし、実施形態において、第３半導体領域１３の幅は、第２半導体領域１２の幅と同じであってもよい。第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３のそれぞれは、Ｚ軸方向に垂直な方向において、第１半導体領域１１の一部と並ぶ。すなわち、第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３は、Ｘ－Ｙ平面に沿って第１半導体領域１１に囲まれている。第２半導体領域１２の側面１２ｓ及び第３半導体領域１３の側面１３ｓは、第１半導体領域１１と接する。Ｚ軸方向に垂直な方向において、第２半導体領域１２の中心または第３半導体領域１３の中心が、素子１０の中心に対応する。
半導体層２１（第１半導体領域１１、第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３）及び半導体層２２は、シリコン、炭化シリコン、ガリウムヒ素、及び窒化ガリウムからなる群より選択される少なくとも１つの半導体材料を含む。例えば、半導体層２１及び半導体層２２は、シリコンを含む。例えば、半導体層２２の第１導電形の不純物濃度は、第１半導体領域１１の第１導電形の不純物濃度よりも高い。第２半導体領域１２は、シリコンに例えばボロンをｐ形不純物として注入することで得られる。第３半導体領域１３は、シリコンに例えばリン、ヒ素、又はアンチモンをｎ形不純物として注入することで得られる。半導体層２１は、例えば基板の上に形成されたエピタキシャル層である。半導体層２１及び半導体層２２に含まれるシリコン単結晶の（１００）面は、例えばＺ軸方向に対して垂直である。
屈折層３０は、複数の素子１０（半導体層２１）と複数のレンズ４０との間に設けられる。屈折層３０は、複数の素子１０の受光面、すなわち半導体層２１の上面２１Ｕと接する。屈折層３０は、複数のレンズ４０と接する。屈折層３０の厚さは、１μｍ（マイクロメートル）以上１０μｍ以下が好ましく、２μｍ以上８μｍ以下がより好ましい。
屈折層３０は、例えば絶縁層である。屈折層３０には、例えば光透過性の材料が用いられる。屈折層３０は、シリコンと、酸素及び窒素からなる群より選択される１つと、を含む。例えば、屈折層３０は、酸化シリコン及び窒化シリコンの少なくともいずれかを含む。屈折層３０の屈折率は、例えば１．４以上２以下である。なお、本願明細書において、屈折率とは、絶対屈折率である。
屈折層３０の厚さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）を、第１厚さＩとする。後述するように、第１周期Ｌ１に対する第１厚さＩの比（第１厚さ／第１周期＝Ｉ／Ｌ１）は、例えば０．１６以上０．７２以下が好ましく、０．２４以上０．６４以下がより好ましい。
導電部６１は、第３半導体領域１３の上に設けられ、第３半導体領域１３と接する。導電部６１は、第３半導体領域１３と電気的に接続される。この例では、導電部６１の少なくとも一部は、屈折層３０内に設けられている。導電部６１の少なくとも一部は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において屈折層３０の一部と並び、すなわち、Ｚ軸方向から見て、導電部６１の少なくとも一部が屈折層３０の一部と重ならない領域を有しており、Ｘ－Ｙ平面に沿って屈折層３０に囲まれている。これにより、導電部６１が外部と接触して短絡することを抑制できる。
クエンチ部６３は、導電部６１と電気的に接続される。これにより、クエンチ部６３の一端は、導電部６１を介して、第３半導体領域１３と電気的に接続される。クエンチ部６３は複数設けられ、複数のクエンチ部６３のそれぞれが、複数の半導体領域１３のそれぞれと電気的に接続される。クエンチ部６３の他端は、第１配線５１と電気的に接続される。
例えば、クエンチ部６３は、クエンチ抵抗であり、クエンチ部６３の電気抵抗は、導電部６１の電気抵抗よりも大きい。抵抗体としてのクエンチ部６３は、例えばポリシリコンを含む。クエンチ部６３には、ｎ形不純物又はｐ形不純物が添加されていても良い。クエンチ部６３の抵抗は、例えば、５０ｋΩ以上２ＭΩ以下である。
電極５０、導電部６１及び各配線は、例えば、チタン、タングステン、銅、金、アルミニウムからなる群より選択された少なくとも１つの金属を含む。電極５０及び導電部６１は、例えば、アルミニウム（またはアルミニウム含有材料）、銅（または銅含有材料）、金（または金含有材料）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、または、これらの材料と他の金属材料との組合せである。
レンズ４０は、屈折層３０の上に設けられる。例えば、１つのレンズ４０は、１つの素子１０の上に位置する。レンズ４０の上面は、上方に向けて凸である。レンズ４０は、素子１０に向けて光を集める。この例では、レンズ４０の形状は、Ｚ軸方向から見た時に、略円形であり、隣接するレンズ４０同士は互いに離れている（図１参照）。レンズ４０の幅は、８μｍ以上３０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上１５μｍ以下であることがより好ましい。レンズ４０の上面の曲率半径は、例えば４μｍ以上１０μｍ以下である。
レンズ４０は、光透過性の樹脂を含む。樹脂は、例えばアクリル樹脂を含む。レンズ４０には、例えば東京応化工業社製のアクリル樹脂（ＴＭＲ－Ｃ００６）を使用することができる。例えば、レンズ４０は、屈折層３０上に、透明性の平坦化膜と感光性のマイクロレンズ用樹脂とを塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いて受光素子とおおよそ同周期の樹脂パターンを形成した後、熱処理により樹脂パターンを熱変形させることで形成される。レンズ４０の製作に使用するマイクロレンズ用樹脂の屈折率は、１．４以上２以下であることが好ましい。レンズ４０の屈折率は、例えば屈折層３０の屈折率よりも高い。レンズ４０の屈折率は、屈折層３０の屈折率よりも低くてもよい。
光検出器１００の動作を説明する。
上方から光検出器１００に入射した光は、レンズ４０を通過して、屈折層３０に入射する。屈折層３０に入射した光は、屈折層３０を通過して、素子１０（半導体層２１）に入射する。素子１０に光が入射すると、半導体層２１で電荷が発生する。電荷が発生すると、クエンチ部６３及び第１配線５１に電流が流れる。第１配線５１に流れる電流を検出することで、素子１０への光の入射を検出できる。
導電部６１及び電極５０は、第２半導体領域１２と第３半導体領域１３とに電圧を印加して受光素子を駆動させる。第２半導体領域１２内で光電変換により生じた電気信号は、クエンチ部６３及び第１配線５１等を介して、駆動・読み出し部（図面には省略）に出力される。電極５０の電位を制御することで、第２半導体領域１２と第３半導体領域１３との間に電圧が印加される。例えば、第２半導体領域１２と第３半導体領域１３との間には、逆電圧が印加される。素子１０は、アバランシェフォトダイオードとして機能する。第２半導体領域１２と第３半導体領域１３との間には、降伏電圧を超える逆電圧が印加されても良い。すなわち、素子１０は、ガイガーモードで動作しても良い。ガイガーモードで動作することにより、高いゲインと短い時定数を持ったパルス状の信号が出力される。これにより、光検出器１００の受光感度を向上できる。
クエンチ部６３は、素子１０に光が入射し、アバランシェ降伏が発生した際に、アバランシェ降伏の継続を抑制するために設けられる。アバランシェ降伏が発生し、クエンチ部６３に電流が流れると、クエンチ部６３の電気抵抗に応じて電圧降下が生じる。電圧降下により、第２半導体領域１２と第３半導体領域１３との間の電位差が小さくなり、アバランシェ降伏が停止する。これにより、次に素子１０へ入射した光を検出できるようになる。
上述したように、大きな電圧降下を生じさせる抵抗体がクエンチ部６３として設けられても良いし、抵抗体に代えて電流を遮断する制御回路がクエンチ部６３として設けられても良い。例えば、制御回路は、コンパレータ、制御ロジック部、及び２つのスイッチング素子を含む。制御回路には、アクティブクエンチ回路を適用可能である。アクティブクエンチ回路には公知の構成を用いることができる。
図３（ａ）～図３（ｃ）は、光検出器における光路の計算結果を表す模式的断面図である。
図３（ａ）に表した例では、屈折層の厚さが１μｍであり、素子の周期に対する屈折層の厚さ（Ｉ／Ｌ１）は０．０８である。図３（ｂ）に表した例では、屈折層の厚さが５μｍであり、素子の周期に対する屈折層の厚さ（Ｉ／Ｌ１）は、０．４である。図３（ｃ）に表した例では、屈折層の厚さが１５μｍであり、素子の周期に対する屈折層の厚さ（Ｉ／Ｌ１）は１．２である。
図３（ａ）～図３（ｃ）の各光路の計算において、屈折層の厚さ以外のパラメータは共通である。レンズ４０の幅（Ｘ軸方向に沿った長さ）は、１２．５μｍであり、レンズ４０の高さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）は、５．３μｍであり、半導体層２１の屈折率は３．６２１であり、屈折層３０の屈折率は１．４５２であり、レンズ４０の屈折率は１．５４５である。上記以外については、図３（ａ）～図３（ｃ）に表した各素子は、図２に関する説明と同様である。
シミュレーションにおいて、光検出器への入射光の波長は９００ｎｍである。レンズ４０及び屈折層３０は、素子１０に照射される光の光路を調節する。レンズ４０に照射された光Ｌｉ（入射光）は、レンズ４０の表面で素子１０の中心に向かって屈折し、レンズ４０と屈折層３０内を通過する。その後、光Ｌｉは、屈折層３０と半導体層２１との界面で再度屈折して、半導体層２１内を直進する。
図３（ａ）～図３（ｃ）に表したように、レンズ４０を変更しなくても、第１周期Ｌ１に対する屈折層３０の厚さ（Ｉ／Ｌ１）を変更することで、半導体層２１を通る入射光の光路が変化する。半導体層２１を通過する光の光路が、第１周期Ｌ１に対する屈折層３０の厚さ（Ｉ／Ｌ１）によって変化するため、第１周期Ｌ１に対する屈折層３０の厚さ（Ｉ／Ｌ１）によって素子１０の特性を向上させることができる。
図４は、光検出器における光吸収効率の計算結果を表すグラフ図である。
図４は、図３（ａ）～図３（ｃ）と同様の光検出器において、屈折層の厚さによりＩ／Ｌ１を変化させたときの、光吸収効率の計算結果を表す。ここで吸収とは、光検出器内で入射光が光電変換による電子を発生させる現象のことを指す。光吸収効率の評価に際しては、まず、半導体層２１内において発生したキャリアがアバランシェ倍増を起こす可能性（アバランシェ確率）のある領域（アバランシェ領域）を計算する。光吸収効率は、光検出器に入射される光量Ｉｉに対するアバランシェ領域内で吸収される光量Ｉａの比（吸収光量／入射光量＝Ｉａ／Ｉｉ）によって評価される。従って、Ｉａ／Ｉｉの値が大きいほど、光が光検知素子内で検出される確率が高くなる。図４の光吸収効率の計算に使用するアバランシェ領域には後述する図１６（ｂ）のアバランシェ領域を使用している。
図４に表したように、第１周期Ｌ１に対する第１厚さＩの比（Ｉ／Ｌ１）が０．１６以上０．７２以下の場合に、高い光吸収効率（光検出効率）が得られる。すなわち、光検出器１００の感度が向上可能である。
比Ｉ／Ｌ１を０．１６以上０．７２以下とすることにより、光検出器１００に入射した光の光路が、素子中央に集中しやすいと考えられる。例えば、図３（ｂ）に表した半導体層２１への入射光の分布範囲Ｒ１ｂは、図３（ａ）に表した半導体層２１への入射光の分布範囲Ｒ１ａよりも狭い。つまり、半導体層２１への入射光は、図３（ａ）におけるよりも図３（ｂ）において、素子中央に集中している。
例えば、素子１０の半導体層２１内においては、入射した光の検知確率（例えば発生したキャリアがアバランシェ倍増を起こす可能性）に分布がある。複数の素子１０が受光面に配列された光検出器１００においては、素子１０の端部（Ｚ軸方向から見たときの外周部）に比べて、素子１０の中央において、検知確率が高い。また、例えば、素子１０の端部には、隣接する素子を電気的又は光学的に分離する分離構造が設けられる場合もある。分離構造としては、例えば、半導体層２１におけるトレンチ構造や不純物濃度分布が挙げられる。入射光が素子中央に集中することにより、高い光検出効率が得られると考えられる。
実施形態においては、比Ｉ／Ｌ１は、０．１６以上が好ましい。これにより、例えば、光の検知確率が高い素子１０の中央を、光路が通過しやすくできる。例えば、屈折層３０は、レンズ４０よりも厚くてもよい。入射光の一部の屈折層３０内における光路長は、入射光の当該一部のレンズ４０内における光路長よりも長くてもよい。
一方、光検出効率は、比Ｉ／Ｌ１が０．７２よりも大きくなるにつれて低下する。比Ｉ／Ｌ１が大きい場合、光検出器１００に入射した光は、半導体層２１に入射する前に、屈折層３０内において収束しやすい。例えば、図３（ｃ）に表した屈折層３０内の光の分布範囲Ｒ２ｃは、図３（ｂ）に表した屈折層３０内の光の分布範囲Ｒ２ｂよりも狭い。屈折層３０内において光が収束した場合、半導体層２１内において、光は素子１０の外側に向かって進行する。例えば、図３（ｃ）に表した半導体層２１内の光の分布範囲Ｒ３ｃは、図３（ｂ）に表した半導体層２１内の光の分布範囲Ｒ３ｂよりも広い。半導体層２１内において光が素子１０の外側に向かって進行する場合、半導体層２１において、光は検知確率の高い素子中央を通過しにくくなる。
実施形態においては、比Ｉ／Ｌ１は、０．７２以下が好ましい。これにより、例えば、光の検知確率が高い素子１０の中央を、光路が通過しやすくできる。屈折層３０の応力による歪みや材料費の観点からも、屈折層３０は厚過ぎないことが好ましい。例えば、屈折層３０の第１厚さＩは、２μｍ以上８μｍ以下が好ましい。
半導体層２１（第１半導体領域１１）の厚さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）を、第２厚さＴ（図２（ａ）参照）とする。第１周期Ｌ１に対する第２厚さＴの比（第２厚さ／第１周期＝Ｔ／Ｌ１）は、０．４以上が好ましい。例えば、第１周期Ｌ１を短くすることで比Ｔ／Ｌ１を０．４以上とする。第１周期Ｌ１が短いことにより、光検出器１００の解像度を向上させることができる。また、例えば、第２厚さＴを厚くすることで、比Ｔ／Ｌ１を０．４以上とする。半導体層２１が厚いことにより、半導体層２１中の光路長を確保することができ、光の検知確率を向上させることができる。
一方、第１周期Ｌ１が短すぎる場合は、素子１０の受光面において、素子端部（外周部）の割合が大きくなり、光検知確率の高い素子中央を通過する光が減少する恐れがある。これに対して、第１周期Ｌ１に対する第２厚さＴの比Ｔ／Ｌ１は、１．２以下が好ましい。この場合、第１周期Ｌ１が短すぎることが抑制され、素子中央を通過する光が減少することを抑制できる。例えば、第１周期Ｌ１は、１０μｍ以上１５μｍ以下が好ましい。
第１周期Ｌ１が比較的短い場合に、第１周期Ｌ１に対する第１厚さＩの比Ｉ／Ｌ１を、０．１６以上０．７２以下とすることがより好ましい。これにより、第１周期Ｌ１が比較的短く、素子端部の割合が相対的に大きくなる場合であっても、素子中央を光が通過しやすくでき、素子中央を通過する光が減少することを抑制できる。
以上説明したように、実施形態によれば、例えば受光素子の小面積化と高感度との両立が図れる。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１実施形態に係る別の光検出器の一部を例示する模式的平面図である。
図５（ａ）は、第１実施形態の変形例に係る光検出器１０１の一部を表す。このように、複数のレンズ４０のうち、隣接するレンズ４０同士は、互いに接していていてもよい。また、隣接するレンズ４０の一部は互いに重なるように並べられてもよい。
図５（ｂ）は、第１実施形態の変形例に係る光検出器１０２の一部を表す。この例では、レンズ４０の形状は、Ｚ軸方向から見たときに、角に曲率を有する四角形である。レンズ４０の形状は、Ｚ軸方向から見たときに、円形でなくてもよく、概ね、多角形、または角丸の多角形でもよい。
図６は、第１実施形態に係る別の光検出器の一部を例示する断面図である。
図６は、図２（ａ）と同様に、第１実施形態の変形例に係る光検出器１０３の一部を表す。光検出器１０３においては、屈折層３０は、複数の層を含む積層構造を有する。これ以外については、光検出器１０３には、光検出器１００と同様の説明を適用することができる。なお、図６においては、導電部６１、クエンチ部６３及び第１配線５１の図示を省略している。
この例では、屈折層３０は、第１層３１と、第２層３２と、第３層３３と、を含む。第１層３１は、複数のレンズ４０と複数の素子１０との間に設けられる。第２層３２は、第１層３１と複数のレンズ４０との間に設けられる。第３層３３は、第２層３２と複数のレンズ４０との間に設けられる。積層構造は、必ずしも３層に限らず、２層でもよいし、４層以上でもよい。
第１層３１～第３層３３の厚さは、互いに異なっていてもよいし、同じでもよい。第１層３１～第３層３３の屈折率は、互いに異なっていてもよいし、同じでもよい。第１層３１～第３層３３のそれぞれの屈折率は、例えば１．４以上２以下である。例えば、第１層３１～第３層３３のそれぞれは、シリコンと、酸素及び窒素からなる群より選択される１つと、を含む。例えば、第１層３１～第３層３３のそれぞれは、酸化シリコン、窒化シリコン及び樹脂の少なくともいずれかを含む。
屈折層３０は、前述した入射光の光路調節とは別の役割を有していてもよい。例えば、屈折層３０は、光検出器の製造プロセス（例えばエッチングや研磨など）におけるストッパとしての役割、または電極（例えば導電部６１）が外部と接触して短絡しないように保護する役割などを有していてもよい。このような場合、これらの役割に応じて絶縁層を積層させることで屈折層３０を作成してもよい。例えば、第１層３１は、半導体層２１の表面を保護するシリコン酸化膜であり、第２層３２は、プロセスにおけるストッパ層であるシリコン窒化膜であり、第３層３３は、電極を保護するシリコン酸化膜でもよい。
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る光検出器を例示する平面図である。
図７に表したように、第２実施形態に係る光検出器１２０は、複数の構造体７０を含む。例えば、構造体７０は、半導体層２１に設けられたトレンチ部である。これ以外については、光検出器１２０には、第１実施形態に係る光検出器１００と同様の説明を適用できる。なお、図７においては、屈折層３０、複数のレンズ４０、導電部６１、及びクエンチ部６３などの図示を省略している。
この例では、構造体７０は、Ｚ軸方向に沿ってみたときに、略八角形である。複数の構造体７０のそれぞれは、Ｘ－Ｙ平面に沿って複数の素子１０のそれぞれを囲むように設けられる。そのため、複数の構造体７０は、複数の素子１０の周期に合わせて配列されている。例えば、複数の構造体７０は、第１構造体７０ａと、第２構造体７０ｂと、を含む。第１構造体７０ａは、第１素子１０ａを囲む。第２構造体７０ｂは、第２素子１０ｂを囲む。
ここでは、「囲む」とは、ある構成要素が、別の構成要素を途切れること無く連続的に囲んでいる場合だけで無く、互いに離れて設けられた複数の前記構成要素が、前記別の構成要素の周りに並んで設けられる場合も含む。例えば、前記複数の構成要素を辿って得られる軌跡の内側に前記別の構成要素が位置する場合、前記別の構成要素は、前記複数の構成要素によって囲まれていると見なすことができる。
第１構造体７０ａ及び第２構造体７０ｂのそれぞれは、Ｚ軸方向から見たときに八角形である。ここで八角形とは角丸の八角形でもよい。この例では、１つの構造体７０において、Ｘ軸方向の長さとＹ軸方向の長さとは、実質的に互いに同じである。また、この例では、Ｚ軸方向から見たときに、複数の構造体７０の形状は、実質的に互いに同じである。複数の構造体７０の配列の周期は、複数の素子１０の配列の周期（第１周期Ｌ１及び第２周期Ｌ２）と実質的に同じでよい。
図８は、第２実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式的断面図である。
図８は、図７に示したＡ３－Ａ４線断面を示す。図８に表したように、構造体７０の少なくとも一部は、半導体層２１に設けられる。
この例では、構造体７０の上端の高さは、半導体層２１の上面（受光面）の高さと略同じである。構造体７０の上面は、屈折層３０と接していてもよい。また、この例では、構造体７０は、半導体層２２まで到達しておらず、構造体７０の下端は、半導体層２１の下面よりも高い。構造体７０の少なくとも一部は、第１半導体領域１１、第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３のそれぞれと、Ｚ軸方向と垂直な方向において並ぶ。
第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３は、構造体７０に接触しない。第２半導体領域１２と構造体７０との間に、第１半導体領域１１の一部が位置し、第２半導体領域１２と構造体７０とに接触している。第３半導体領域１３と構造体７０との間に、第１半導体領域１１の別の一部が位置し、第３半導体領域１３と構造体７０とに接触している。ただし、第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３は、構造体７０に接触していてもよい。
構造体７０の屈折率は、半導体層２１の屈折率と異なる。構造体７０の屈折率は、第１半導体領域１１、第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３のそれぞれの屈折率と異なる。構造体７０は、絶縁性である。構造体７０は、素子１０同士の間における電気的な導通及び光学的な干渉を抑制するために設けられる。構造体７０により、素子１０同士の間における二次光子及びキャリアの移動が抑制される。素子１０に光が入射し、二次光子が発生したとき、隣接する素子１０へ進む二次光子は、構造体７０の界面で反射、屈折される。構造体７０が設けられることでクロストークノイズを低減できる。
例えば、第１構造体７０ａの少なくとも一部は、第１素子１０ａの第１半導体領域１１と、第２素子１０ｂの第１半導体領域１１と、の間に設けられている。これにより、第１素子１０ａと第２素子１０ｂとの間における二次光子及びキャリアの移動を抑制できる。
複数の構造体７０は、素子毎に独立して設けられる。すなわち、複数の構造体７０は、互いに物理的に接触しておらず離れている。例えば、第２構造体７０ｂの少なくとも一部は、第１構造体７０ａの少なくとも一部と、第２素子１０ｂの第１半導体領域１１と、の間に設けられる。第１構造体７０ａと第２構造体７０ｂとは、互いに離れている。これにより、例えば、隣り合う素子１０同士の間に１つの分離構造が設けられる場合に比べて、隣り合う素子１０同士の間において構造体７０の界面の数が増加する。界面の数の増加により、素子１０で二次光子が発生したとき、隣接する素子１０に向けて進む二次光子がより反射されやすくなる。これにより、クロストークノイズをさらに低減できる。第１構造体７０ａと第２構造体７０ｂとの間には、半導体領域１４（例えば半導体層２１の一部）が設けられてもよい。半導体領域１４は、第１構造体７０ａと第２構造体７０ｂと接触する。例えば、半導体領域１４は、Ｘ軸方向において隣り合う構造体７０同士の間をＹ軸方向に延びている。半導体領域１４は、Ｙ軸方向において隣り合う構造体７０同士の間をＸ軸方向において延びている。
構造体７０は、絶縁材料を含む。例えば、構造体７０は、酸素及び窒素からなる群より選択される１つと、シリコンと、を含む。例えば、構造体７０は、酸化シリコン又は窒化シリコンを含む。構造体７０は、積層構造であってもよい。
構造体７０が設けられる場合、素子１０と構造体７０との界面には、例えば熱膨張係数の差に起因して、欠陥が生じる場合がある。例えば、素子１０の端部（外周部）の半導体層２１内に結晶欠陥が生じる。このような欠陥は、ノイズの原因となることがある。例えば、欠陥で生じたキャリアが半導体層２１内でアバランシェ倍増を起こす可能性がある。
光検出器１２０においても、例えば、第１周期Ｌ１に対する第１厚さＩの比は、０．１６以上０．７２以下である。これにより、第１実施形態と同様に、光の検知確率が高い素子中央を、光路が通過しやすくなる。また、多くの光が通過する領域を、結晶欠陥が生じやすい素子端部から離すことができる。例えば素子端部におけるアバランシェ確率を低くすることで、ノイズを抑制しつつ、高い光検出効率を得ることができる。
図９（ａ）～図９（ｄ）は、第２実施形態に係る別の光検出器の一部を例示する模式的平面図である。
図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）、図９（ｄ）は、それぞれ、第２実施形態の変形例に係る光検出器１２１、１２２、１２３、１２４の一部を表す。図７に表した光検出器１２０と比較して、光検出器１２１、１２２、１２３、１２４は、構造体７０の形状が異なる。これ以外については、光検出器１２１、１２２、１２３、１２４には、光検出器１２０と同様の説明を適用できる。
図９（ａ）に表した光検出器１２１のように、構造体７０は、Ｚ軸方向から見たときに、四角形でもよい。構造体７０の形状は、Ｚ軸方向から見たときに、多角形、または角丸の多角形でもよい。
図９（ｂ）～図９（ｄ）に表したように、構造体７０は、Ｚ軸方向から見たときに、素子１０を不連続に囲む。言い換えれば、構造体７０は、Ｚ軸方向から見たときに、完全な環状構造でなく、一部が開いている形状であってもよい。これにより、導電部６１と構造体７０との干渉を抑制できる。例えば、構造体７０の途切れた部分に、導電部６１の一部を配置してもよい。構造体７０の形状を変化させることで、導電部６１、クエンチ部６３及び第１配線５１などの配置が容易となる。
図９（ｂ）に表した光検出器１２２においては、Ｚ軸方向から見たときに略八角形の構造体７０が素子１０を囲んでいる。構造体７０の平面形状は、八角形の一辺に設けられた１つの開口部７０ｉ（環状が途切れた部分）を有する。
図９（ｃ）に表した光検出器１２３においては、Ｚ軸方向から見たときに略四角形の構造体７０が素子１０を囲んでいる。構造体７０の平面形状は、四角形の各角に設けられた計４つの開口部７０ｉを有する。
図９（ｄ）に表した光検出器１２４においては、Ｚ軸方向から見たときに略四角形の構造体７０が素子１０を囲んでいる。構造体７０の平面形状は、四角形の対角に設けられた計２つの開口部７０ｉを有する。
図９（ｂ）～図９（ｄ）に表したように、半導体層２１は、Ｚ軸方向から見たときに、開口部７０ｉに位置する半導体領域１５を含む。構造体７０の内側の素子１０は、構造体７０の外側の半導体領域１４と、半導体領域１５を介して連続している。
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第２実施形態に係る別の光検出器の一部を例示する模式的断面図である。
図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、それぞれ、図８と同様に、第２実施形態の変形例に係る光検出器１２５、１２６の一部を表す。図８に表した光検出器１２０と比較して、光検出器１２５、１２６においては、構造体７０の配置が異なる。これ以外については、光検出器１２５、１２６には、光検出器１２０と同様の説明を適用できる。
構造体７０の深さは、例えば素子１０の特性や製造プロセスに応じて変更することができる。例えば、図１０（ａ）に表したように、構造体７０は、半導体層２１を貫通して、半導体層２２まで延びていてもよい。すなわち、構造体７０の下端は、半導体層２１の下面よりも低くてもよい。構造体７０の下部７０ｐは、Ｘ－Ｙ平面において、半導体層２２に囲まれていてもよい。
図１０（ｂ）に表したように、構造体７０は、屈折層３０内に延びていてもよい。すなわち、構造体７０の上端は、半導体層２１の上面よりも高くてもよい。構造体７０の上部７０ｑは、Ｘ－Ｙ平面において、屈折層３０に囲まれていてもよい。
構造体７０を、屈折層３０内または半導体層２１内まで延ばすことにより、素子間のクロストークをより抑制することができる。
図１１は、第２実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式的平面図である。
図１２は、第２実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式的断面図である。
これらの図は、第２実施形態の変形例に係る光検出器１２７を表している。図１１においては、レンズ４０及び屈折層３０の図示が省略されている。図１２は、図１１のＡ４－Ａ５断面を示す。
構造体７０は、図１２に表したように、第１絶縁層ＩＬ１及び第２絶縁層ＩＬ２を含んでも良い。第２絶縁層ＩＬ２は、第１絶縁層ＩＬ１と素子１０との間、及び第１絶縁層ＩＬ１と半導体層２２との間に設けられる。例えば、第１絶縁層ＩＬ１及び第２絶縁層ＩＬ２は酸化シリコンを含み、第２絶縁層ＩＬ２は第１絶縁層ＩＬ１に比べて緻密な構造を有する。
図１２に表したように、Ｚ軸方向において半導体層２２と構造体７０との間にｐ形の半導体領域２３が設けられても良い。半導体領域２３におけるｐ形不純物濃度は、第１半導体領域１１におけるｐ形不純物濃度よりも高い。
この例では、クエンチ部６３として、各素子１０に、クエンチ抵抗が電気的に接続されている。例えば、Ｚ軸方向から見たときに、クエンチ部６３は、フォトダイオードＰＤと異なる位置に存在する。例えば、クエンチ部６３は、Ｚ軸方向において、構造体７０又は半導体領域１４と並ぶ。クエンチ部６３の他端は、第１配線５１と電気的に接続される。
複数の導電部６１のそれぞれが、複数の素子１０のそれぞれに接続される。複数の導電部６１のそれぞれは、コンタクト６４及び接続配線６５を含む。クエンチ部６３は、コンタクト６４及び接続配線６５を介して第３半導体領域１３と電気的に接続され、コンタクト６６を介して第１配線５１と電気的に接続される。
コンタクト６４及び６６は、金属材料を含む。例えば、コンタクト６４及び６６は、チタン、タングステン、銅、及びアルミニウムからなる群より選択された少なくとも１つを含む。コンタクト６４及び６６は、チタン、タングステン、銅、及びアルミニウムからなる群より選択された少なくとも１つの窒化物又はシリコン化合物からなる導電体を含んでも良い。図１２に示すように、コンタクト６４は、金属層６４ａ及び金属層６４ｂを含んでも良い。コンタクト６６は、金属層６６ａ及び金属層６６ｂを含んでも良い。金属層６４ｂは、金属層６４ａと第１層３１との間、金属層６４ａと第２層３２との間、及び金属層６４ａと第３層３３との間に設けられる。金属層６６ｂは、金属層６６ａと第２層３２との間、及び金属層６６ａと第３層３３との間に設けられる。例えば、金属層６４ａ及び６６ａは、タングステンを含む。金属層６４ｂ及び６６ｂは、チタンを含む。金属層６４ｂは、チタン層と、チタン層と金属層６４ａとの間に設けられた窒化チタン層と、を含んでも良い。金属層６６ｂは、チタン層と、チタン層と金属層６６ａとの間に設けられた窒化チタン層と、を含んでも良い。接続配線６５、銅及びアルミニウムからなる群より選択された少なくとも１つを含む。
例えば、クエンチ部６３のＺ軸方向における位置は、第３半導体領域１３のＺ軸方向における位置と、第１配線５１のＺ軸方向における位置と、の間にある。１つの第１配線５１は、Ｙ軸方向に並ぶ複数のフォトダイオードＰＤと電気的に接続される。
クエンチ部６３の電気抵抗は、コンタクト６４、コンタクト６６、及び接続配線６５のそれぞれの電気抵抗よりも大きい。クエンチ抵抗は、半導体材料としてポリシリコンを含む。クエンチ抵抗には、ｎ形不純物又はｐ形不純物が添加されていても良い。
例えば、屈折層３０は、第１～第４層３１～３４を含む。第１層～第３層３１～３３は、Ｚ軸方向において複数の素子１０と第４層３４との間に設けられる。第１層３１及び第２層３２は、Ｚ軸方向において複数の素子１０と第３層３３との間に設けられる。第１層３１は、Ｚ軸方向において複数の素子１０と第２層３２との間に設けられる。
コンタクト６４及び６６は、Ｘ－Ｙ平面に沿って、第１層３１、第２層３２、及び第３層３３に囲まれる。第１層３１の一部は、Ｚ軸方向において半導体領域１４とクエンチ部６３との間に設けられる。第１配線５１及び接続配線６５は、第４層３４に囲まれる。
第１半導体領域１１におけるｐ形不純物濃度は、例えば１．０×１０１３ａｔｏｍ／ｃｍ３以上、１．０×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ３以下である。この濃度範囲に設定することで、第１半導体領域１１で空乏層を十分に広げ、光子検出効率又は受光感度を高めることができる。
第２半導体領域１２におけるｐ形不純物濃度は、例えば１．０×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ３以上、１．０×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３以下である。この濃度範囲に設定することで、第２半導体領域１２を、第３半導体領域１３とｐｎ接合させ、且つ第２半導体領域１２において空乏層を広がり易くできる。
第３半導体領域１３におけるｎ形不純物濃度は、例えば１．０×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３以上、１．０×１０２１ａｔｏｍ／ｃｍ３以下である。この濃度範囲に設定することで、第３半導体領域１３における電気抵抗を低減し、第２半導体領域１２におけるキャリアの損失を低減できる。
半導体層２２におけるｐ形不純物濃度は、１．０×１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ３以上、１．０×１０２１ａｔｏｍ／ｃｍ３以下である。半導体層２２の代わりに、金属を含む導電層を用いても良い。例えば、アルミニウム、銅、チタン、金、及びニッケルからなる群より選択された少なくとも１つを含む導電層が用いられる。
図１３は、第２実施形態に係る光検出器の一部を例示する模式的平面図である。
図１３に示すように、光検出器１２７は、共通配線５４及びパッド５５をさらに含む。なお、図１１は、図１３に示す部分Ｐを示す。Ｙ軸方向に並ぶ複数の素子１０に、１つの第１配線５１が電気的に接続される。Ｘ軸方向に並ぶ複数の第１配線５１は、共通配線５４と電気的に接続される。共通配線５４は、１つ以上のパッド５５と電気的に接続される。パッド５５には、外部のデバイスの配線が電気的に接続される。
図１４及び図１５は、第２実施形態に係る光検出器の一部を表す平面図である。
図１４に示すように、構造体７０は、Ｚ軸方向から見たときに、５角以上の多角形である。図１４の例では、構造体７０は、Ｚ軸方向から見たときに、八角形である。例えば、構造体７０は、Ｚ軸方向に延びる一対の第１延在部７１－１、Ｘ方向に延びる一対の第２延在部７１－２、及び複数の連結部７１Ｃを含んでも良い。第１～第３半導体領域１１～１３半導体（フォトダイオードＰＤ）は、Ｘ軸方向において、一対の第１延在部７１－１の間に設けられる。第１～第３半導体領域１１～１３は、Ｙ軸方向において、一対の第２延在部７１－２の間に設けられる。各連結部７１Ｃは、第１延在部７１－１の一端と、第２延在部７１－２の一端と、を連結している。
このような構造によれば、構造体７０の角の角度をより大きくし、構造体７０の角における応力を緩和できる。例えば、応力の緩和により、半導体領域１４にクラックが発生することを抑制でき、クラックの発生に起因する動作不良を抑制できる。また、構造体７０の形成時に、半導体層にクラックが発生すると、この後のフォトリソグラフィ工程において、レジストがクラックに入り込む可能性がある。レジストがクラックに入ると、レジストを剥離する際に、クラック内にレジストの残渣が発生しうる。レジストの残渣は、その後の酸化等熱工程において酸化炉の有機汚染を引き起こす。構造体７０の角における応力を緩和することで、これらの課題を解決できる。
第１延在部７１－１のＹ軸方向における長さは、連結部７１ＣのＹ軸方向における長さよりも長い。第２延在部７１－２のＸ軸方向における長さは、連結部７１ＣのＸ軸方向における長さよりも長い。例えば、Ｚ軸方向から見たときに、連結部７１Ｃは直線状であり、構造体７０は八角形である。Ｚ軸方向から見たときに、構造体７０の形状は、八角以上であることが好ましい。すなわち、第１延在部７１－１と連結部７１Ｃとの間の角度θ１は、１３５度以上が好ましい。第２延在部７１－２と連結部７１Ｃとの間の角度θ２は、１３５度以上が好ましい。これにより、第１延在部７１－１と連結部７１Ｃとの間の外角、及び第２延在部７１－２と連結部７１Ｃとの間の外角の角度をより大きくできる。これらの外角の角度が大きくなることで、構造体７０の角における応力を緩和できる。
連結部７１ＣのＸ軸方向における長さＬｎ１及び連結部７１ＣのＹ軸方向における長さＬｎ２は、それぞれ１μｍ以上であることが好ましい。これにより、連結部７１Ｃで発生する応力をさらに緩和できる。
又は、図１５に示すように、構造体７０は、Ｚ軸方向から見たときに、角が湾曲した多角形であっても良い。すなわち、Ｚ軸方向から見たときに、連結部７１Ｃが湾曲していても良い。図１５の例では、構造体７０は、Ｚ軸方向から見たときに、角丸の四角形である。このような構造により、構造体７０の角における応力を緩和できる。
例えば、第１延在部７１－１と連結された連結部７１Ｃの一端は、Ｙ軸方向に沿う。第２延在部７１－２と連結された連結部７１Ｃの他端は、Ｘ軸方向に沿う。これにより、連結部７１Ｃは、第１延在部７１－１及び第２延在部７１－２と滑らかに連結される。同様に、Ｚ軸方向から見たときに、連結部７１Ｃが湾曲していても良い。連結部７１Ｃを湾曲させることで、構造体７０における応力の集中をさらに緩和できる。
なお、光検出器の構造は、図示した例に限らず、種々の変形が可能である。例えば、Ｚ軸方向から見たときに、複数のフォトダイオードＰＤの１つ（第１フォトダイオード）を囲む構造体７０（第１構造体）の形状は、複数のフォトダイオードＰＤの別の１つ（第２フォトダイオード）を囲む別の構造体７０（第２構造体）の形状と異なっていても良い。Ｚ方向から見たときに、第１フォトダイオードの形状は、第２フォトダイオードの形状と異なっていても良い。Ｚ方向から見たときに、第１フォトダイオードの面積は、第２フォトダイオードの面積と異なっていても良い。第１フォトダイオードと電気的に接続されたクエンチ部６３の電気抵抗と第２フォトダイオードと電気的に接続されたクエンチ部６３の電気抵抗が、互いに異なっていても良い。第１フォトダイオードと電気的に接続された第１配線５１と第２フォトダイオードと電気的に接続された第１配線５１に、互いに異なる動作電圧が印加されても良い。第１フォトダイオードと電気的に接続された第１配線５１の信号と、第２フォトダイオードと電気的に接続された第１配線５１の信号が、分けて読み出されても良い。
次に、第１、２実施形態の光検出器における、理論計算によるシミュレーションについて説明する。以下のシミュレーションにおいて、半導体層２２は、ボロン濃度４．５×１０１８／ｃｍ３の高濃度ｐ形基板であり、半導体層２１は、ボロン濃度１．０×１０１５／ｃｍ３の半導体層であり、素子１０（受光セル）の第１周期Ｌ１は、１２．５μｍである。
図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、光検出器のアバランシェ領域の分布範囲の計算結果を表す模式的断面図である。
まずは、半導体層２１内で発生したキャリアがアバランシェ増倍を起こす可能性（アバランシェ確率）のある領域（アバランシェ領域）の分布を理論計算により確認した。図中の色の濃淡は、アバランシェ確率の高低を表す。色が濃い（黒い）ほどアバランシェ確率が低く、色が薄い（白い）ほどアバランシェ確率が高い。光検出器が高い光子検出効率を得るために、受光素子の内の入射光の光路とアバランシェ領域との重なりは多いことが望ましい。
アバランシェ領域の分布は、半導体層２１内の不純物濃度プロファイルに影響を受ける。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、第２半導体領域１２を作製するためのボロン（Ｂ）注入条件を変更した２条件の受光セルのアバランシェ領域分布を示している。
図１６（ａ）は、ボロンの条件が加速電圧４００ｋｅＶ、ドーズ量３．３×１０１２／ｃｍ２の場合に、アバランシェ領域分布の計算を行った結果である。図１６（ｂ）は、ボロンの注入条件が加速電圧４００ｋｅＶ、ドーズ量２．６×１０１２／ｃｍ２の場合に、アバランシェ領域分布の計算を行った結果である。受光セルへの印加電圧としては、ブレークダウン電圧よりも５Ｖ高い電圧を設定した。
図１６（ａ）の場合の不純物濃度プロファイルのピークは、図１６（ｂ）の場合の不純物濃度プロファイルのピークよりも高い。図１６（ａ）では、アバランシェ領域は、Ｘ軸方向（及びＹ軸方向）に広がっており、Ｚ軸方向にはあまり広がっていない。例えば、図１６（ａ）では、アバランシェ領域の分布範囲ＲＡのＺ軸方向に沿った長さは、アバランシェ領域の分布範囲ＲＡのＸ軸方向に沿った長さよりも短い。一方、図１６（ｂ）では、アバランシェ領域は、Ｘ軸方向（及びＹ軸方向）にはあまり広がらず、Ｚ軸方向に広がっている。例えば、図１６（ｂ）では、アバランシェ領域の分布範囲ＲＡのＺ軸方向に沿った長さは、アバランシェ領域の分布範囲ＲＡのＸ軸方向に沿った長さよりも長い。
実施形態に係る光検出器は、例えばＬｉＤＡＲ用近赤外光（例えば波長０．７μｍ以上２．５μｍ以下）の検知に用いられる。近赤外光の半導体層２１への侵入長は長い。この場合、光検出器の光検出効率を上げるために入射光の光路とアバランシェ領域との重なりが多いことが望ましい。例えば、図１６（ｂ）のようなアバランシェ領域を有する受光素子が望ましい。
また、第２実施形態に関して述べたとおり、構造体７０のようなトレンチ構造を使用した場合、トレンチ構造と半導体層２１との界面付近には、例えば熱膨張係数の差に起因して欠陥が発生する。欠陥から発生した熱電子によるアバランシェ倍増は、光検出器のノイズ出力となる。そのため、光検出器のノイズ低減のためには、図１６（ａ）のようなアバランシェ領域の形状よりも、図１６（ｂ）のようなアバランシェ領域の形状が望ましい。例えば、素子１０の動作中において、第２半導体領域１２及び第３半導体領域１３によって形成される空乏層のＺ軸方向に沿った長さは、当該空乏層のＸ軸方向に沿った長さよりも長くてもよい。
図１６（ｂ）は、図３（ａ）～図３（ｃ）に示した受光素子において行った計算結果に相当する。
図１７は、アバランシェ確率の分布の計算結果を表すグラフ図である。
図１７は、図１６（ｂ）に示したアバランシェ領域の範囲ｐ－ｐ’間におけるアバランシェ確率Ｐａ１の分布の計算結果を示す。アバランシェ確率は、素子中央に近いほど高く、素子中央から離れて素子端部に近いほど低くなっている。そのため、入射される光の光路が受光素子中央付近を通るほど、光検出効率が高い。
図１８（ａ）～図１８（ｃ）は、光検出器における光路の計算結果を表す模式的断面図である。
図１８（ａ）～図１８（ｃ）は、それぞれ、図３（ａ）～図３（ｃ）に、図１６（ｂ）に示したアバランシェ領域の分布範囲ＲＡを重ねて表す。
図１８（ａ）に表したように、第１周期Ｌ１に対する屈折層３０の厚さ（Ｉ／Ｌ１）が０．０８の場合、多くの入射光がアバランシェ領域の分布範囲ＲＡを通過するが、アバランシェ確率の低いアバランシェ領域端（分布範囲ＲＡの端部）も光が通過している。
図１８（ｂ）に表したように、第１周期Ｌ１に対する屈折層３０の厚さ（Ｉ／Ｌ１）が０．４の場合、光路がアバランシェ領域の分布範囲ＲＡ内により集中しており、多くの入射光がアバランシェ確率の高い素子中央を通過している。
図１８（ｃ）に表したように、第１周期Ｌ１に対する屈折層３０の厚さ（Ｉ／Ｌ１）が１．２の場合、光路の収束が早すぎるため、光がアバランシェ領域に到達するころには、光路が再度発散し始めている。そのため、入射光の一部がアバランシェ確率の低いアバランシェ領域端を通過している。
（第３実施形態）
図１９は、第３実施形態に係るライダー（Ｌａｓｅｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ：ＬＩＤＡＲ）装置を例示する模式図である。
この実施形態は、ライン光源、レンズと構成され長距離被写体検知システム（ＬＩＤＡＲ）などに応用できる。ライダー装置５００１は、対象物４１１に対してレーザ光を投光する投光ユニットＵと、対象物４１１からのレーザ光を受光しレーザ光が対象物４１１までを往復してくる時間を計測し距離に換算する受光ユニットＲ（光検出システムともいう）と、を備えている。
投光ユニットＵにおいて、レーザ光発振器（光源ともいう）４０４はレーザ光を発振する。駆動回路４０３は、レーザ光発振器４０４を駆動する。光学系４０５は、レーザ光の一部を参照光として取り出し、そのほかのレーザ光をミラー４０６を介して対象物４１１に照射する。ミラーコントローラ４０２は、ミラー４０６を制御して対象物４１１にレーザ光を投光する。ここで、投光とは、光を当てることを意味する。
受光ユニットＲにおいて、参照光用光検出器４０９は、光学系４０５によって取り出された参照光を検出する。光検出器４１０は、対象物４１１からの反射光を受光する。距離計測回路４０８は、参照光用光検出器４０９で検出された参照光と光検出器４１０で検出された反射光に基づいて、対象物４１１までの距離を計測する。画像認識システム４０７は、距離計測回路４０８で計測された結果に基づいて、対象物４１１を認識する。
ライダー装置５００１は、レーザ光が対象物４１１までを往復してくる時間（飛行時間）を計測し距離に換算するＴｏＦ法を採用している。ライダー装置５００１は、車載ドライブ－アシストシステム、リモートセンシング等に応用される。光検出器４１０として上述した実施形態の光検出器を用いると、特に近赤外線領域で良好な感度を示す。このため、ライダー装置５００１は、人が不可視の波長帯域への光源に適用することが可能となる。ライダー装置５００１は、例えば、車向け障害物検知に用いることができる。
図２０は、ライダー装置の検出対象の検出を説明するための図である。
光源３０００は、検出対象となる物体６００に光４１２を発する。光検出器３００１は、物体６００を透過あるいは反射、拡散した光４１３を検出する。
光検出器３００１は、例えば、上述した本実施形態に係る光検出器を用いると、高感度な検出を実現する。なお、光検出器４１０および光源のセットを複数設け、その配置関係を前もってソフトウェア（回路でも代替可）に設定しておくことが好ましい。光検出器４１０および光源のセットの配置関係は、例えば、等間隔で設けられることが好ましい。それにより、各々の光検出器４１０の出力信号を補完しあうことにより、正確な３次元画像を生成することができる。
図２１は、第３実施形態に係るライダー装置を備えた車の上面略図である。
ライダー装置５００１は、例えば、車、ドローンまたはロボットなどの移動体に搭載される。図２１の例では、移動体として車両７００が用いられている。本実施形態に係る車両７００は、車体７１０の４つの隅にライダー装置５００１を備えている。本実施形態に係る車両は、車体の４つの隅にライダー装置を備えることで、車両の全方向の環境をライダー装置によって検出することができる。
以上で説明した各実施形態における、各半導体領域の間の不純物濃度の相対的な高低については、例えば、ＳＣＭ（走査型静電容量顕微鏡）を用いて確認することが可能である。なお、各半導体領域におけるキャリア濃度は、各半導体領域において活性化している不純物濃度と等しいとみなせる。従って、各半導体領域の間のキャリア濃度の相対的な高低についても、ＳＣＭを用いて確認することができる。また、各半導体領域における不純物濃度については、例えば、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により測定することが可能である。
実施形態によれば、性能を向上可能な、光検出器、光検出システム、ライダー装置、移動体及び車が提供できる。
本願明細書において、「垂直」は、厳密な垂直だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、光検出器に含まれる複数の素子、クエンチ部、複数のレンズ、及び屈折層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した光検出器、光検出システム、ライダー装置、移動体及び車を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての光検出器、光検出システム、ライダー装置、移動体及び車も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
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とその均等の範囲に含まれる。
１０…素子、 １０ａ…第１素子、 １０ｂ…第２素子、 １０ｃ…第３素子、 １１…第１半導体領域、 １２…第２半導体領域、 １２ｓ…側面、 １３…第３半導体領域、 １３ｓ…側面、 １４、１５…半導体領域、 ２１…半導体層、 ２１Ｕ…上面、 ２２…半導体層、 ２３…半導体領域、 ３０…屈折層、 ３１～３４…第１～第４層、 ４０…レンズ、 ５０…電極、 ５１…第１配線、 ５４…共通配線、 ５５…パッド、 ６１…導電部、 ６３…クエンチ部、 ６４…コンタクト、 ６４ａ…金属層、 ６４ｂ…金属層、 ６５…接続配線、 ６６…コンタクト、 ６６ａ…金属層、 ６６ｂ…金属層、 ７０…構造体、 ７０ａ…第１構造体、 ７０ｂ…第２構造体、 ７０ｉ…開口部、 ７０ｐ…下部、 ７０ｑ…上部、 ７１－１…第１延在部、 ７１－２…第２延在部、 ７１Ｃ…連結部、 θ１、θ２…角度、 １００～１０３、１２０～１２７…光検出器、 ３０００…光源、 ３００１…光検出器、 ４０２…ミラーコントローラ、 ４０３…駆動回路、 ４０４…レーザ光発振器、 ４０５…光学系、 ４０６…ミラー、 ４０７…画像認識システム、 ４０８…距離計測回路、 ４０９…参照光用光検出器、 ４１０…光検出器、 ４１１…対象物、 ４１２、４１３…光、 ５００１…ライダー装置、 ６００…物体、 ７００…車両、 ７１０…車体、 Ｉ…第１厚さ、 ＩＬ１…第１絶縁層、 ＩＬ２…第２絶縁層、 Ｉａ…吸収光量、 Ｉｉ…入射光量、 Ｌ１…第１周期、 Ｌ２…第２周期、 Ｌｎ１…長さ、 Ｌｎ２…長さ、 Ｌｉ…光、 ＰＤ…フォトダイオード、 Ｐａ１…アバランシェ確率、 Ｒ…受光ユニット、 Ｒ１ａ、Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂ、Ｒ２ｃ、Ｒ３ｂ、Ｒ３ｃ…分布範囲、 ＲＡ…分布範囲、 Ｔ…第２厚さ、 Ｕ…投光ユニット

Claims (22)

  1. 複数の素子であって、前記複数の素子のそれぞれは、第１導電形の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の上に設けられ前記第１半導体領域よりも高い第１導電形の不純物濃度を有する第１導電形の第２半導体領域と、前記第２半導体領域の上に設けられた第２導電形の第３半導体領域と、を含み、前記複数の素子は、前記第１半導体領域から前記第２半導体領域へ向かう第１方向と交差する第２方向において第１周期で並ぶ、前記複数の素子と、
    前記第３半導体領域と電気的に接続されたクエンチ部と、
    前記複数の素子のそれぞれの上に設けられた複数のレンズであって、前記複数のレンズのうちの１つが前記複数の素子のうちの１つの上に位置する前記複数のレンズと、
    前記複数の素子と前記複数のレンズとの間に設けられた第１厚さの屈折層であって、前記第１周期に対する前記第１厚さの比は、０．１６以上０．７２以下であり、前記レンズよりも厚い屈折層と、
    前記第１半導体領域と異なる屈折率を有する第１構造体と、
    を備え、
    前記複数の素子は、互いに隣接する第１素子と第２素子とを含み、
    前記第１構造体の少なくとも一部は、前記第１素子の前記第１半導体領域と、前記第２素子の前記第１半導体領域と、の間に設けられ、
    前記第１構造体の上端は、前記屈折層の内部に位置し、前記第１素子を含む第１半導体層の上面よりも高く、前記屈折層の上面より低い、光検出器。
  2. 前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、及び前記第３半導体領域を含む第１半導体層の厚さは、第２厚さであり、
    前記第１周期に対する前記第２厚さの比は、０．４以上１．２以下である、請求項１記載の光検出器。
  3. 前記屈折層は、前記複数のレンズと前記複数の素子との間に設けられた第１層と、前記第１層と前記複数のレンズとの間に設けられた第２層と、を含む、請求項１または２に記載の光検出器。
  4. 前記第３半導体領域と前記クエンチ部とを接続する導電部をさらに備え、
    前記導電部の少なくとも一部は、前記第１方向に垂直な平面において前記屈折層に囲まれた、請求項１～３のいずれか１つに記載の光検出器。
  5. 前記第１周期は、１５マイクロメートル以下である、請求項１～４のいずれか１つに記載の光検出器。
  6. 前記第１厚さは、２マイクロメートル以上８マイクロメートル以下である、請求項１～４のいずれか１つに記載の光検出器。
  7. 前記第２半導体領域及び前記第３半導体領域は、前記第１方向に垂直な平面において、前記第１半導体領域の一部に囲まれた、請求項１～６のいずれか１つに記載の光検出器。
  8. 前記第１半導体領域と異なる屈折率を有する第２構造体をさらに備え、
    前記第２構造体の少なくとも一部は、前記第１構造体の前記少なくとも一部と、前記第２素子の前記第１半導体領域と、の間に設けられ、
    前記第１構造体の前記少なくとも一部と、前記第２構造体の前記少なくとも一部とは、互いに離れた、請求項１記載の光検出器。
  9. 前記第１構造体は、前記第１素子を囲む、請求項１または８に記載の光検出器。
  10. 前記第１構造体及び前記第２構造体は、前記第１素子及び前記第２素子をそれぞれ囲む請求項８記載の光検出器。
  11. 少なくとも前記第１構造体及び前記第２構造体のいずれかは、前記第１方向から見たときに、八角形である請求項１０記載の光検出器。
  12. 前記第１構造体は、前記第１方向から見たときに、前記第１素子を不連続に囲む、請求項１、８～１０のいずれか１つに記載の光検出器。
  13. 前記第１半導体領域よりも高い第１導電形の不純物濃度を有する第１導電形の第２半導体層をさらに備え、
    前記第１半導体領域は、前記第２半導体層の上に設けられ、
    前記第１構造体の下部は、前記第２半導体層に囲まれた、請求項１、８～１２のいずれか１つに記載の光検出器。
  14. 前記第１構造体の上部は、前記屈折層に囲まれた、請求項１、８～１３のいずれか１つに記載の光検出器。
  15. 前記複数の素子は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードである請求項１～１４のいずれか１つに記載の光検出器。
  16. 前記複数のレンズの配置を上方から見た場合に互いに隣接する前記レンズの間に間隔が設けられる請求項１～１５のいずれか１つに記載の光検出器。
  17. 前記屈折層は、互いに隣接する前記素子の上において前記第１厚さを有する請求項１～１６のいずれか１つに記載の光検出器。
  18. 請求項１～１７のいずれか１つに記載の光検出器と、
    前記光検出器の出力信号から光の飛行時間を算出する距離計測回路と、
    を備えた光検出システム。
  19. 物体に光を照射する光源と、
    前記物体に反射された光を検出する請求項１８記載の光検出システムと、
    を備えたライダー装置。
  20. 前記光源と前記光検出器との配置関係に基づいて、３次元画像を生成する画像認識システムをさらに備えた、請求項１９記載のライダー装置。
  21. 請求項１９または２０に記載のライダー装置を備えた移動体。
  22. 車体の４つの隅に請求項１９または２０に記載のライダー装置を備えた車。
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