特許 5984617 フォトダイオードアレイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5984617

(24)【登録日】2016年8月12日

(45)【発行日】2016年9月6日

(54)【発明の名称】フォトダイオードアレイ

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/107 20060101AFI20160823BHJP

   H01L 31/00 20060101ALI20160823BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20160823BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 B

   H01L31/00 B

   H01L27/14 A

【請求項の数】9

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2012-230921(P2012-230921)

(22)【出願日】2012年10月18日

(65)【公開番号】特開2014-82420(P2014-82420A)

(43)【公開日】2014年5月8日

【審査請求日】2015年6月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124291

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 悟

(72)【発明者】

【氏名】山本 晃永

(72)【発明者】

【氏名】永野 輝昌

(72)【発明者】

【氏名】山村 和久

(72)【発明者】

【氏名】里 健一

(72)【発明者】

【氏名】土屋 龍太郎

【審査官】 小濱 健太

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０９９５８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

受光領域を備えたフォトダイオードアレイにおいて、
前記受光領域は、複数の光検出部を含み、
個々の前記光検出部は、
第１導電型の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域とｐｎ接合を構成する第２導電型の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域上に設けられる第１絶縁層の第１コンタクトホールを介して、前記第２半導体領域に接触する第１コンタクト電極と、
前記第１コンタクト電極とは異なる材料を備え、前記第１絶縁層上に設けられる第２絶縁層の第２コンタクトホールを介して、前記第１コンタクト電極に重なる位置に配置され、前記第１コンタクト電極に接触する第２コンタクト電極と、
前記第２コンタクト電極に連続する抵抗層と、
を備えることを特徴とするフォトダイオードアレイ。

【請求項2】

前記第２コンタクト電極及び前記抵抗層は、ＳｉＣｒを備えることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。

【請求項3】

前記抵抗層は、曲線的に延びて、信号読出用の配線パターンに接続されていることを特徴とする請求項２に記載のフォトダイオードアレイ。

【請求項4】

前記抵抗層の厚みは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のフォトダイオードアレイ。

【請求項5】

前記配線パターンは、個々の前記光検出部を囲む形状を含んでおり、
個々の前記第２コンタクト電極は、前記配線パターンによって囲まれた個々の光検出領域の中央部に位置し、
前記抵抗層の二次元パターンは、前記第２コンタクト電極の周囲を回転するように延びた形状を含んでいる、ことを特徴とする請求項４に記載のフォトダイオードアレイ。

【請求項6】

隣接する前記光検出部の中心間の間隔は、２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。

【請求項7】

隣接する前記光検出部の中心間の間隔は、１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。

【請求項8】

隣接する前記光検出部の中心間の間隔は、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。

【請求項9】

フォトンが前記光検出部に入射した場合、前記光検出部からの出力の強度ピーク値を与える時刻から、この強度ピーク値の３７％に前記光検出部からの出力がなる時刻までの期間で規定される回復時間が、１０ｎｓ以下であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の態様は、フォトダイオードアレイに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来のフォトダイオードアレイは、例えば、特許文献１に記載されている。ＳｉＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ． Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）又はＰＰＤ（Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）などのフォトダイオードアレイでは、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）をマトリックス状に配置し、複数のＡＰＤを並列に接続し、ＡＰＤ出力の和を読み出す構成を有している。ＡＰＤをガイガーモードで動作させると、微弱な光（フォトン）を検出することができる。すなわち、フォトンがＡＰＤに入射した場合、ＡＰＤ内部で発生したキャリアは、クエンチング抵抗及び信号読出用の配線パターンを介して外部に出力される。ＡＰＤにおける電子雪崩の発生した画素には、電流が流れるが、画素に直列接続された数百ｋΩ程度のクエンチング抵抗において、電圧降下が発生する。この電圧降下により、ＡＰＤの増幅領域への印加電圧が低下して、電子雪崩による増倍作用は終息する。このように、１つのフォトンの入射により、１つのパルス信号がＡＰＤから出力される。従来、ｐｎ接合を構成する一方の半導体層に第１コンタクト電極が設けられ、これに連続する配線と同一平面内において、配線に抵抗層が接続されていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】欧州特許出願公開１，７５５，１７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、複数のフォトンが短い時間間隔で、ＡＰＤに入射した場合、出力パルス信号の間隔が短くなり、パルス分離ができなくなり、フォトン・カウンティングができなくなる。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、カウントレートを高くした高ダイナミックレンジのフォトダイオードアレイを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上述の課題を解決するため、本発明の態様に係るフォトダイオードアレイは、受光領域を備えたフォトダイオードアレイにおいて、前記受光領域は、複数の光検出部を含み、個々の前記光検出部は、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域とｐｎ接合を構成する第２導電型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域上に設けられる第１絶縁層の第１コンタクトホールを介して、前記第２半導体領域に接触する第１コンタクト電極と、前記第１コンタクト電極とは異なる材料を備え、前記第１絶縁層上に設けられる第２絶縁層の第２コンタクトホールを介して、前記第１コンタクト電極に重なる位置に配置され、前記第１コンタクト電極に接触する第２コンタクト電極と、前記第２コンタクト電極に連続する抵抗層とを備えることを特徴とする。

【0006】

本態様に係るフォトダイオードアレイの場合、第２コンタクト電極を第１コンタクト電極に重なる位置に配置することにより、抵抗層と第１コンタクト電極との接続に要するスペースを最小化することができる。もちろん、必然的に、第１コンタクト電極と第２コンタクト電極とは同一平面上ではなく、高さ方向の位置が異なることとなり、第２コンタクト電極から抵抗層が連続して延びることとなる。これにより、光検出部内における配線を省略することができ、光検出部の開口率を、著しく増加させることが可能となる。

【0007】

フォトンの入射によりｐｎ接合において発生したキャリアは、第１コンタクト電極及び第２コンタクト電極を介して、抵抗層に流れ、抵抗層に接続された配線パターンを介して、外部に取り出される。

【0008】

また、前記第２コンタクト電極及び前記抵抗層は、ＳｉＣｒを備えることが好ましい。ＳｉＣｒは、光透過率が高いため、光検出部内において、抵抗層が存在していても、入射したフォトンが抵抗層を透過するため、実効的な開口率を増加させることができる。

【0009】

また、前記抵抗層は、曲線的に延びて、信号読出用の配線パターンに接続されていることが好ましい。抵抗層の抵抗値は、その長さに比例するため、抵抗層が曲線的に延びることにより、抵抗値を増加させることができる。また、抵抗層が存在することにより、その下に存在する半導体層の表面準位を安定させ、出力を安定させることができる。

【0010】

また、前記抵抗層の厚みは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。下限値以上の場合、抵抗層の均一性を確保することができ、上限値以下の場合には、十分にフォトンを透過させることができる。

【0011】

前記配線パターンは、個々の前記光検出部を囲む形状を含んでおり、個々の前記第２コンタクト電極は、前記配線パターンによって囲まれた個々の光検出領域の中央部に位置し、前記抵抗層の二次元パターンは、前記第２コンタクト電極の周囲を回転するように延びた形状を含んでいることを特徴とする。第２コンタクト電極を光検出領域の中央部に配置して、この周囲を回転させるように配置することで、抵抗層の長さを長く設定することができる。

【0012】

また、フォトンが前記光検出部に入射した場合、前記光検出部からの出力の強度ピーク値を与える時刻から、この強度ピーク値の３７％に前記光検出部からの出力がなる時刻までの期間で規定される回復時間を５ｎｓ以下とすることができる。

【0013】

また、隣接する前記光検出部の中心間の間隔は、２０μｍ以下とすることができる。この場合、回復時間が著しく短くなる。

【0014】

また、隣接する前記光検出部の中心間の間隔は、１５μｍ以下とすることができる。この場合、前記回復時間は、更に短くなる。

【0015】

また、隣接する前記光検出部の中心間の間隔は、１０μｍ以下とすることができる。この場合、前記回復時間は、更に短くなる。

【発明の効果】

【0016】

本発明の態様に係るフォトダイオードによれば、その回復時間を短くすることでカウントレートを高くすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】フォトダイオードアレイの斜視図である。

【図2】フォトダイオードアレイのＩＩ−ＩＩ矢印縦断面図である。

【図3】ＳｉＣｒへの入射光の波長（ｎｍ）と透過率（％）の関係を示すグラフである。

【図4】光検出部（５０μｍ間隔配置）の写真を示す図である。

【図5】光検出部（２５μｍ間隔配置）の写真を示す図である。

【図6】光検出部（２０μｍ間隔配置）の写真を示す図である。

【図7】光検出部（１５μｍ間隔配置：タイプＡ）の写真を示す図である。

【図8】光検出部（１５μｍ間隔配置：タイプＢ）の写真を示す図である。

【図9】光検出部（１０μｍ間隔配置）の写真を示す図である。

【図10】入射光の波長（ｎｍ）とフォトンの検出効率（％）の関係を示すグラフである。

【図11】フォトダイオードの出力と時間の関係を示すグラフである。

【図12】フォトダイオードの製造方法について説明するための図である。

【図13】基板の構造を変更したフォトダイオードアレイの縦断面図である。

【図14】フォトダイオードアレイの平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、実施の形態に係るフォトダイオードアレイについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

【0019】

図１は、フォトダイオードアレイの斜視図、図２は、フォトダイオードアレイのＩＩ−ＩＩ矢印縦断面図である。

【0020】

このフォトダイオードアレイは、Ｓｉからなる半導体基板の表面側に受光領域を備えている。受光領域は、複数の光検出部（光検出チャンネル）１０を含んでおり、これらの光検出部１０はマトリックス状に二次元配置されている。なお、図１では、９行９列の光検出部１０が配置されており、これらは受光領域を構成しているが、光検出部１０の数は、更に多くても、少なくてもよく、また、一次元配置される構成とすることも可能である。

【0021】

基板表面には、格子状にパターニングされた信号読出用の配線パターン（上面電極）３Ｃが配置されている。なお、図１では、内部構造が分かるように、図２に示す絶縁層１７の記載が省略されている。格子状の配線パターン３Ｃの開口内は光検出領域を規定している。光検出領域内には、光検出部１０が配置されており、光検出部１０の出力は配線パターン３Ｃに接続されている。

【0022】

基板裏面上には、下面電極２０が設けられている。したがって、上面電極である配線パターン３Ｃと、下面電極２０との間に光検出部１０の駆動電圧を印加すれば、その光検出出力を配線パターン３Ｃから取り出すことができる。

【0023】

ｐｎ接合においては、これを構成するｐ型の半導体領域がアノードを構成し、ｎ型の半導体領域がカソードを構成する。ｐ型の半導体領域の電位が、ｎ型の半導体領域の電位よりも高くなるようにフォトダイオードに駆動電圧を印加した場合、これは順方向バイアス電圧であり、これとは逆の駆動電圧をフォトダイオードに印加した場合、これは逆方向バイアス電圧である。

【0024】

駆動電圧は、光検出部１０における内部のｐｎ接合によって構成されるフォトダイオードに印加される逆方向バイアス電圧である。この駆動電圧を、フォトダイオードのブレークダウン電圧以上に設定した場合には、フォトダイオードにおいて、アバランシェ降伏が生じ、フォトダイオードがガイガーモードで動作することになる。すなわち、各フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）である。なお、フォトダイオードに順方向バイアス電圧を印加した場合においても、フォトダイオードは、光検出機能を有する。

【0025】

基板表面には、フォトダイオードの一端に電気的に接続された抵抗部（クエンチング抵抗）４が、配置されている。抵抗部４の一方端は、この直下に位置する別材料のコンタクト電極を介して、フォトダイオードの一端に電気的に接続されるコンタクト電極４Ａを構成しており、他方端は、信号読出用の配線パターン３Ｃに接触し、これに電気的に接続されるコンタクト電極４Ｃを構成している。すなわち、各光検出部１０における抵抗部４は、フォトダイオードに接続されるコンタクト電極４Ａ、コンタクト電極４Ａに連続して曲線的に延びた抵抗層４Ｂ、及び、抵抗層４Ｂの終端部に連続するコンタクト電極４Ｃを備えている。なお、コンタクト電極４Ａ、抵抗層４Ｂ、及び、コンタクト電極４Ｃは、同一の抵抗材料の抵抗層からなり、これらは連続している。

【0026】

このように、抵抗部４は、フォトダイオードとの電気的な接続点から、曲線的に延びて、信号読出用の配線パターン３Ｃに接続されている。抵抗部４の抵抗値は、その長さに比例するため、抵抗部４が曲線的に延びることにより、その抵抗値を増加させることができる。また、抵抗部４が存在することにより、その下に存在する半導体領域の表面準位を安定させ、出力を安定させることができる。

【0027】

図１に示す例では、配線パターン３Ｃは、個々の光検出部１０を囲む形状を含んでいるが、配線パターン３Ｃの形状はこれに限られるものではなく、例えば、２個以上の光検出部１０を囲む形状としたり、一列以上の光検出部１０を囲む形状とするとすることができる（図１４参照）。なお、図１４においては、複数列の光検出部を１つのグループとして、これらの間に配線パターン３Ｃの配線が延びている。

【0028】

また、図１４に示すように、個々の光検出部において、半導体領域１４のエッジを覆うように抵抗層４Ｂを配置することで、半導体領域１４の表面準位をより安定させることができる。詳説すれば、半導体領域１４を厚み方向からみた輪郭上に、抵抗層４Ｂが配置されている。

【0029】

光検出部１０に含まれるフォトダイオードの一端は、原則的には全ての位置において同電位の配線パターン３Ｃに接続され、他方端は、基板電位を与える下面電極２０に接続されている。すなわち、全ての光検出部１０におけるフォトダイオードは並列接続されている。

【0030】

なお、下面電極２０に代えて、基板表面側から半導体領域１２に到達する孔を空け、孔の内面を絶縁膜で被覆した後に、半導体領域１２に接触する貫通電極を形成することも可能である。しかしながら、光検出部１０の開口率を向上させるためには、貫通電極よりも下面電極２０の方が好ましい。

【0031】

図１に示す例では、個々のコンタクト電極４Ａは、配線パターン３Ｃによって囲まれた個々の光検出領域の中央部に位置している。そして、抵抗部４の二次元パターンはコンタクト電極４Ａの周囲を回転するように延びた形状を含んでいる。コンタクト電極４Ａを各光検出領域の中央部に配置し、コンタクト電極４Ａの周囲を回転させるように、抵抗層４Ｂを配置することで、抵抗層４Ｂの長さを長く設定することができる。

【0032】

図２に示すように、個々の光検出部１０は、第１導電型（ｎ型）の第１半導体領域（層）１２と、第１半導体領域１２とｐｎ接合を構成する第２導電型（ｐ型）の第２半導体領域（半導体層１３及び高不純物濃度領域１４）を備えている。

【0033】

この第２半導体領域における高不純物濃度領域（半導体領域）１４には、第１コンタクト電極３Ａが接触している。高不純物濃度領域１４は、不純物を半導体層１３内に拡散することによって形成される拡散領域（半導体領域）であり、半導体層１３よりも高い不純物濃度を有している。本例（タイプ１）では、ｎ型の第１半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の高濃度不純物領域１４が形成されている。したがって、フォトダイオードを構成するｐｎ接合は、第１半導体領域１２と半導体層１３との間に形成されている。

【0034】

なお、半導体基板の層構造としては、上記とは導電型を反転させた構造を採用することもできる。すなわち、（タイプ２）の構造は、ｐ型の第１半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３を形成し、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成して形成される。

【0035】

また、ｐｎ接合界面を、表面層側において形成することもできる。この場合、（タイプ３）の構造は、ｎ型の第１半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。なお、この構造の場合には、ｐｎ接合は、半導体層１３と半導体領域１４との界面において形成される。

【0036】

もちろん、かかる構造においても、導電型を反転させることができる。すなわち、（タイプ４）の構造は、ｐ型の第１半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。

【0037】

なお、半導体基板の構造として、図１３に示す構造も採用することができる。

【0038】

図１３は、基板の構造を変更したフォトダイオードアレイの縦断面図である。

【0039】

この構造は、上述のタイプ１〜タイプ４の構造において、半導体領域１４の直下に半導体領域１５を配置した点が異なり、その他の点は、同一である。半導体領域１５は、半導体領域１４と同一の導電型、又は、異なる導電型を有している。同一の導電型を有するものを（タイプ１Ｓ）〜（タイプ４Ｓ）とし、異なる導電型を有するものを（タイプ１Ｄ）〜（タイプ４Ｄ）とする。なお、半導体領域１５における不純物濃度は、半導体領域１４の不純物濃度よりも小さい。また、ｐ型の不純物としては、Ｂ（ボロン）を採用することができ、ｎ型の不純物としてはＰ（リン）又はＡｓ（ヒ素）を採用することができる。

【0040】

なお、上述の半導体構造における各層の導電型、不純物濃度及び厚みの好適な範囲は以下の通りである。
（タイプ１）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／５×１０^１１〜１×１０^２０ｃｍ^−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０^１８〜１×１０^２０ｃｍ^−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ２）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／５×１０^１１〜１×１０^２０ｃｍ^−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０^１８〜１×１０^２０ｃｍ^−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ３）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／５×１０^１１〜１×１０^２０ｃｍ^−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０^１８〜１×１０^２０ｃｍ^−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ４）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／５×１０^１１〜１×１０^２０ｃｍ^−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０^１８〜１×１０^２０ｃｍ^−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ１Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ１と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
（タイプ２Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ２と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
（タイプ３Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ３と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
（タイプ４Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ４と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
（タイプ１Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ１と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
（タイプ２Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ２と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
（タイプ３Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ３と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｎ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
（タイプ４Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ４と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）（ｐ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）

【0041】

なお、上述の例では、最下部の半導体領域１２は、厚みの大きな半導体基板を構成するものであるが、光検出部１０は、この下に更に半導体基板を備えていてもよく、この場合は、半導体領域１２は、かかる付加的な半導体基板よりも薄い厚みを有することとなる。

【0042】

また、半導体領域１３は、半導体領域１２上にエピタキシャル成長法において形成することができるが、基板に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することとしてもよい。半導体領域１４，１５は、半導体領域１３に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することができる。

【0043】

次に、図１、図２、図１３に示したコンタクト電極３Ａ及び抵抗部４について、説明する。

【0044】

各光検出部１０は、半導体基板の表面に形成された絶縁層１６を備えている。半導体領域１３及び半導体領域１４の表面は、絶縁層１６によって被覆されている。絶縁層１６はコンタクトホールを有しており、コンタクトホール内にはコンタクト電極３Ａが形成されている。本例におけるコンタクト電極３Ａは、配線パターン３Ｃと同一材料からなり、同一工程によって、絶縁層１６上に形成されるものである。コンタクト電極３Ａ及び配線パターン３Ｃは、金属からなり、具体的には、アルミニウム（Ａｌ）である。コンタクト電極３Ａ及び配線パターン３Ｃの材料として、他の低抵抗金属材料（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ）を用いることができ、２層以上の構造や合金を採用することもできる。合金としては、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＴｉなどの金属元素のうちの幾つかを含む化合物を用いることができる。

【0045】

下部の絶縁層１６及び第１コンタクト電極３Ａ上には、上部の絶縁層１７が形成されている。絶縁層１６，１７は、ＳｉＯ_２やシリコン窒化物（ＳｉＮｘ）などの耐熱性の高い無機絶縁体からなる。絶縁層１７は、第１コンタクト電極３Ａと同軸配置されるコンタクトホールを有しており、このコンタクトホール内に、第２コンタクト電極４Ａが形成されている。したがって、第１コンタクト電極３Ａと第２コンタクト電極４Ａとは、同軸配置されている。

【0046】

第２コンタクト電極４Ａは、第１コンタクト電極３Ａとは異なる材料を含んでいる。また、第２コンタクト電極４Ａは、抵抗部４の一部であり、第１コンタクト電極３Ａよりも高い抵抗率を有する。第２コンタクト電極４Ａは、第１コンタクト電極３Ａに重なる位置に配置されており、第１コンタクト電極３Ａに接触している。第２コンタクト電極４Ａは、抵抗層４Ｂが連続している。

【0047】

第２コンタクト電極４Ａを第１コンタクト電極３Ａに重なる位置に同軸配置することにより、抵抗層４Ｂと第１コンタクト電極３Ａとの接続に要するスペースを最小化することができる。もちろん、必然的に、第１コンタクト電極３Ａと第２コンタクト電極４Ａとは同一平面上ではなく、高さ方向の位置が異なることとなり、第２コンタクト電極４Ａから抵抗層４Ｂが連続して延びることとなる。これにより、光検出部１０内における配線を省略することができ、光検出部の開口率を、著しく増加させることが可能となる。

【0048】

なお、抵抗層４Ｂの終端にはコンタクト電極４Ｃが位置している。コンタクト電極４Ｃも抵抗部４の一部である。コンタクト電極４Ｃの直下には、絶縁層１６上に形成された配線パターン３Ｃが位置しており、コンタクト電極４Ｃは配線パターン３Ｃに接触し、接続されている。

【0049】

フォトンの入射によりｐｎ接合において発生したキャリアは、第１コンタクト電極３Ａ及び第２コンタクト電極４Ａを介して、抵抗層４Ｂに流れ、抵抗層４Ｂにコンタクト電極４Ｃを介して接続された配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。

【0050】

コンタクト電極４Ａ、４Ｃ及び抵抗層４Ｂは、同一の抵抗材料からなるが、これらは異なる材料からなることとしてもよい。半導体単独、又は、半導体及び金属を適当な比率で含有する合金又は化合物を抵抗材料として用いることができる。例えば、抵抗体としては、ＳｉＣｒの他、ＮｉＣｒ、ＴａＮｉ、ＦｅＣｒなどが挙げられる。

【0051】

もちろん、コンタクト電極４Ａ、４Ｃ及び抵抗層４Ｂは、ＳｉＣｒからなることが好ましい。ＳｉＣｒは、光透過率が高いため、光検出部１０内において、抵抗層が存在していても、入射したフォトンが抵抗層４Ｂを透過するため、実効的な開口率を増加させることができる。なお、ＳｉＣｒは、抵抗値のウエハ面内ばらつきが小さく、１ｍｍ程度であれば、容易に細くすることが可能である。また、シート抵を高くすることができる。ポリシリコンのシート抵抗は１〜３０（ｋΩ／ｓｑ．）であるが、ＳｉＣｒは１〜５０（ｋΩ／ｓｑ．）である。すなわち、ＳｉＣｒを用いれば、小さいサイズで高抵抗値を実現することができる。

【0052】

抵抗層４Ｂの厚みは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。下限値以上の場合、抵抗層の均一性を確保することができ、上限値以下の場合には、十分にフォトンを透過させることができる。

【0053】

図３は、抵抗層を構成するＳｉＣｒへの入射光の波長（ｎｍ）と透過率（％）の関係を示すグラフである。このＳｉＣｒ層の厚みは、２０ｎｍである。

【0054】

ＳｉＣｒは、波長４００ｎｍ以上の光に対して、８０％以上の透過率を有する。波長４００ｎｍ未満の光は遮断する傾向がある。同グラフによれば、波長４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の光に対して、小さなスペクトルピークが示されている。これは５００ｎｍ以上の光をフィルターにより遮断した場合においても、波長４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の光は、選択的に透過させることができることを意味している。このようなフィルターを組み合わせなければ、波長４００ｎｍ以上、少なくとも波長１２００ｎｍまでの光を、８０％以上の透過率で透過させることができる。

【0055】

上述のフォトダイオードアレイを製造した。

【0056】

製造条件は、以下の通りである。
（１）構造（図１、２の構造における数値例）
・半導体領域１２：

【0057】

導電型：ｎ型（不純物：Ｓｂ（アンチモン））

【0058】

不純物濃度：５.０×１０^１１ｃｍ^−３

【0059】

厚み：６５０μｍ
・半導体領域１３

【0060】

導電型：ｐ型（不純物：Ｂ（ボロン））

【0061】

不純物濃度：１．０×１０^１４ｃｍ^−３

【0062】

厚み：３０μｍ
・半導体領域１４

【0063】

導電型：ｐ型（不純物：Ｂ（ボロン））

【0064】

不純物濃度：１．０×１０^１８ｃｍ^−３

【0065】

厚み：１０００ｎｍ
・絶縁層１６：ＳｉＯ_２（厚み：１０００ｎｍ）
・絶縁層１７：ＳｉＯ_２（厚み：２０００ｎｍ）
・コンタクト電極３Ａ：（アルミニウム（Ａｌ））

【0066】

コンタクトホール径：２．０μｍ
・配線パターン３Ｃ：（アルミニウム（Ａｌ））

【0067】

厚み：１．０μｍ

【0068】

配線パターン３Ｃの幅Ｗ０：１．０〜３．０μｍ

【0069】

１つの光検出部１０の配線パターン３Ｃで囲まれた領域（光検出領域）の面積Ｓ：１００〜２５００μｍ^２

【0070】

隣接する光検出部１０の中心間の間隔Ｘ：５０μｍ〜１０μｍ
・抵抗部４：ＳｉＣｒ
（コンタクト電極４Ａ）

【0071】

コンタクトホール径：１．０μｍ
（抵抗層４Ｂ）

【0072】

抵抗層４Ｂの厚み：２０ｎｍ

【0073】

抵抗層４Ｂの幅Ｗ１：１．０〜３．０μｍ

【0074】

抵抗層４Ｂの長さＬ１：１０〜５０μｍ

【0075】

抵抗部４の抵抗値：２００〜５００ｋΩ
（コンタクト電極４Ｃ）

【0076】

コンタクトホール径：１．０μｍ
（２）製法条件
・半導体領域１２：ＣＺ法（（００１）Ｓｉ半導体基板）
・半導体領域１３：Ｓｉエピタキシャル成長法（原材料：気相の四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）、三塩化シラン（トリクロルシラン、ＳｉＨＣｌ_３）、成長温度１２００℃）
・半導体領域１４：不純物の熱拡散法（不純物原材料：ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、拡散温度１２００℃）
・絶縁層１６：（Ｓｉ熱酸化法：酸化温度（１０００℃））
・絶縁層１７：（プラズマＣＶＤ法：原材料ガス（テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガス）：成長温度（２００℃））
・コンタクト電極３Ａ及び配線パターン３Ｃ：蒸着法（原料：アルミニウム）
・抵抗部４：スパッタ法（ターゲット材料：ＳｉＣｒ）

【0077】

図４は、製造した光検出部１０（隣接中心間の間隔Ｘ＝５０μｍ）の写真を示す図である。

【0078】

本例における構造のパラメータは、以下の通りである。なお、抵抗層４Ｂの長さは、その幅方向の中心線の長さである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝２．０μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝２０２５μｍ^２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝３．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さ（合計の長さ）Ｌ１＝２００μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝１６０ｋΩ

【0079】

抵抗層４Ｂの形状は、全体としては、格子状の配線パターン３Ｃの内側面に沿って、環状に形成されている。この構造では、抵抗層４Ｂは、第２コンタクト電極４Ａの位置から、信号出力用のコンタクト電極４Ｃに至るまでの経路を２つ有している。すなわち、抵抗層４Ｂは、相対的な長さの短い抵抗層４Ｂ１と、相対的な長さの長い抵抗層４Ｂ２を有している。抵抗層４Ｂの抵抗値は、これらの長さの異なる抵抗層４Ｂ１と抵抗層４Ｂ２の合成抵抗で与えられる。

【0080】

格子状の配線パターン３Ｃの交点において、コンタクト電極４Ｃが配置されている。したがって、光検出領域の対角線上の４か所において、コンタクト電極４Ｃが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域（光検出部）の中心（重心）Ｇとなる。隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは５０μｍである。

【0081】

抵抗層４Ｂ１，４Ｂ２は、全体としては概ね矩形の環状を呈しているが、その角部における形状は、滑らかに屈曲している。抵抗層４Ｂ１，４Ｂ２の角部の外縁の曲率中心Ｏは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、曲率半径Ｒは５．０μｍ、外縁の円弧の両端から曲率中心Ｏに向けて延びる２つの弦の成す角度θは、８°である。なお、曲率半径Ｒは、電界集中を避けるために、２〜１０μｍに設定され、角度θは、３〜１４°に設定される。

【0082】

第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。

【0083】

図５は、製造した光検出部１０（隣接中心間の間隔Ｘ＝２５μｍ）の写真を示す図である。

【0084】

本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．５μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝４２０μｍ^２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝３．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝７０μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝２５０ｋΩ

【0085】

抵抗層４Ｂの形状は、全体としては、格子状の配線パターン３Ｃの内側面に沿って、リングの一部が欠けた形状に形成されている。この構造では、抵抗層４Ｂは、第２コンタクト電極４Ａの位置から、信号出力用のコンタクト電極４Ｃに至るまでの経路を１つ有している。

【0086】

格子状の配線パターン３Ｃの交点において、コンタクト電極４Ｃが配置されている。したがって、光検出領域の対角線上の４か所において、コンタクト電極４Ｃが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域（光検出部）の中心（重心）Ｇとなる。横方向に隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは２５μｍである。

【0087】

抵抗層４Ｂは、リング形状の一部を構成する３つの角部を有しているが、それぞれの角部における形状は、滑らかに屈曲している。抵抗層４Ｂの角部の外縁の曲率中心Ｏは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、曲率半径Ｒは５．０μｍ、外縁の円弧の両端から曲率中心Ｏに向けて延びる２つの弦の成す角度θは、８°である。なお、曲率半径Ｒは、電界集中を避けるためには、２〜１０μｍに設定され、角度θは、６〜３７°に設定される。

【0088】

第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。

【0089】

図６は、製造した光検出部１０（隣接中心間の間隔Ｘ＝２０μｍ）の写真を示す図である。

【0090】

本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．５μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝２４０μｍ^２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝２．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝５５μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝３００ｋΩ

【0091】

光検出部の基本的な構造は、図５に示したものと同一であるので、重複する説明は省略する。隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは２０μｍであり、相違点としては、図６に示すものの場合、抵抗層４Ｂの幅Ｗ１に対して、コンタクト電極４Ａが、光検出領域の内側へ向けて突出する割合が、図５のものよりも大きくなっている。なお、いずれの形態の光検出部においても、コンタクト電極４Ａ、４Ｃの中心は凹んでいる。コンタクト電極４Ｃに隣接する配線パターン３Ｃと、コンタクト電極４Ａの中心位置との間の距離は、この配線パターン３Ｃから抵抗層４Ｂの内側のエッジラインまでの距離よりも大きい。

【0092】

抵抗層４Ｂは、リング形状の一部を構成する３つの角部を有しているが、それぞれの角部における形状は、滑らかに屈曲している。抵抗層４Ｂの角部の外縁の曲率中心Ｏは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、曲率半径Ｒは３．０μｍ、外縁の円弧の両端から曲率中心Ｏに向けて延びる２つの弦の成す角度θは、１３°である。なお、曲率半径Ｒは、電界集中を避けるためには、２〜５μｍに設定され、角度θは、８〜２３°に設定される。

【0093】

第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。

【0094】

図７は、製造した光検出部（隣接中心間の間隔Ｘ＝１５μｍ：タイプＡ）の写真を示す図である。タイプＡの光検出部では、コンタクト電極４Ａは、光検出領域の中心に配置され、抵抗層４Ｂは、中心から右回転しながら延びる正方向回転領域４Ｂａと、正方向回転領域４Ｂａに連続して左回転しながら延びる逆方向回転領域４Ｂｂとを備えている。なお、ここでは、右回転を正方向回転とする。もちろん、左方向回転を正方向回転とする構造のものを製造することも可能である。

【0095】

本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．２μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝１３２μｍ^２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝１．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝７８μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝６００ｋΩ

【0096】

格子状の配線パターン３Ｃの交点において、コンタクト電極４Ｃが配置され、光検出領域の対角線上の４か所において、コンタクト電極４Ｃが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域（光検出部）の中心（重心）Ｇとなる。隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは１５μｍである。

【0097】

上述のように、抵抗層４Ｂは、正方向回転領域４Ｂａと逆方向回転領域４Ｂｂとを備えている。この構造では、抵抗層４Ｂは、第２コンタクト電極４Ａの位置から、信号出力用のコンタクト電極４Ｃに至るまでの経路を１つ有しているが、回転方向の異なる各領域４Ｂａ，４Ｂｂによって形成される中心Ｇにおける磁場の方向は逆となる。すなわち、検出された電子が進行することで形成される磁場の影響は、中心位置において相殺される構造を有しており、自己形成磁場による検出出力への影響が低減されている。

【0098】

正方向回転領域４Ｂａは、緩やかに屈曲する３つの角部を有しているが、それぞれの角部の外縁の曲率中心Ｏａ１，Ｏａ２，Ｏａ３は、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、それぞれの曲率半径Ｒａは２．０μｍ、それぞれの外縁の円弧の両端からそれぞれの曲率中心Ｏａ１，Ｏａ２，Ｏａ３に向けて延びる２つの弦の成す角度θａは、１９°である。なお、正方向回転領域４Ｂａに関して、角部の曲率半径Ｒａは、電界集中を避けるためには、２〜５μｍに設定され、角度θａは、１９〜５８°に設定される。

【0099】

逆方向回転領域４Ｂｂも、緩やかに屈曲する３つの角部を有しており、それぞれの角部は向きを除いて同一の形状を有している。１つの角度について説明すると、角部の外縁の曲率中心Ｏｂは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、その曲率半径Ｒｂは２．０μｍ、外縁の円弧の両端からそれぞれの曲率中心Ｏｂに向けて延びる２つの弦の成す角度θｂは、８°である。なお、逆方向回転領域４Ｂｂに関して、角部の曲率半径Ｒｂは、電界集中を避けるためには、２〜５μｍに設定され、角度θｂは、８〜２３°に設定される。

【0100】

なお、正方向回転領域４Ｂａは逆方向回転領域４Ｂｂよりも内側に位置するという理由により、角度θａは、角度θｂよりも大きく設定されている。

【0101】

内側に位置する正方向回転領域４Ｂａの外縁と、外側に位置する逆方向回転領域４Ｂｂの内縁は、対向しているが、これらの離隔距離の最小値Ｄ１は、０．６μｍである。離隔距離の最小値Ｄ１は、０．６〜２．０μｍに設定される。

【0102】

第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。

【0103】

図８は、製造した光検出部（隣接中心間の間隔Ｘ＝１５μｍ：タイプＢ）の写真を示す図である。

【0104】

タイプＢの光検出部では、コンタクト電極４Ａは、光検出領域の中心に配置され、抵抗層４Ｂは、中心から一方向に回転しながら延びる回転領域を備えている。もちろん、いずれの実施形態においても、回転方向が逆方向の構造のものを製造することも可能である。

【0105】

本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．２μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝１３２μｍ^２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝１．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝５５μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝４２０ｋΩ

【0106】

格子状の配線パターン３Ｃの交点において、コンタクト電極４Ｃが配置され、光検出領域の対角線上の４か所において、コンタクト電極４Ｃが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域（光検出部）の中心（重心）Ｇとなる。隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは１５μｍである。

【0107】

抵抗層４Ｂは、緩やかに屈曲する３つの角部を有しているが、それぞれの角部の外縁の曲率中心Ｏは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、それぞれの曲率半径Ｒは２．０μｍ、それぞれの外縁の円弧の両端からそれぞれの曲率中心Ｏに向けて延びる２つの弦の成す角度θは、８°である。なお、角部の曲率半径Ｒは、電界集中を避けるためには、２〜５μｍに設定され、角度θは、８〜２３°に設定される。

【0108】

第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。

【0109】

図９は、製造した光検出部（隣接中心間の間隔Ｘ＝１０μｍ）の写真を示す図である。この光検出部１０の基本的な構造は、図８に示したものと同一であるので、同一の構造については、記載を省略する。

【0110】

本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．２μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝４２μｍ^２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝１．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝２９μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝７００ｋΩ

【0111】

この構造においても、第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。

【0112】

なお、本例では、抵抗層４Ｂの幅Ｗ１が、配線パターン３Ｃの幅Ｗ０よりも小さくなっており、抵抗部４は微細化されているにも拘らず、十分な抵抗値を得ることができる構成となっている。

【0113】

次に、フォトダイオードの特性について説明する。

【0114】

図１０は、上述のフォトダイオードにおける入射光の波長（ｎｍ）とフォトンの検出効率（％）の関係を示すグラフである。同グラフでは、図４の構造（５０μｍ間隔）、図７の構造（１５μｍ間隔）、図９の構造（１０μｍ間隔）のデータが示されている。なお、１つのフォトダイオードアレイに含まれる光検出部の数は、それぞれ、４００個、４４８９個、１０００個である。フォトダイオードへの逆方向バイアス電圧は、７４Ｖであり、ガイガーモードで動作をさせた。なお、ブレークダウン電圧は７１Ｖである。

【0115】

フォトン検出効率（ＰＤＥ）（％）は、光検出領域が大きいほど、抵抗層による影の領域が少なくなり、高い検出効率が得られている。しかしながら、光検出領域の隣接間隔が、５０μｍの場合の光検出領域の面積に対して、１０μｍの場合の光検出領域の面積は約２５分の１であるが、検出効率は、その３０％以上を維持している。１５μｍの場合も同様に、比較的高い検出効率を維持している。

【0116】

これらのスペクトルピークの位置は、波長４００ｎｍから５００ｎｍの範囲に存在している。この波長範囲（４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下）内において、５０μｍ間隔のフォトダイオードの場合、検出効率が４４％以上であり、１５μｍ間隔のフォトダイオードの場合、検出効率が３６％以上であり、１０μｍ間隔のフォトダイオードの場合、検出効率が１７％以上である。

【0117】

なお、比較例１として、隣接中心間の間隔Ｘ＝５０μｍとして、図４における抵抗層の内側位置に第１コンタクト電極を設け、第１コンタクト電極から抵抗層４Ｂとほぼ同一形状で若干小さな環状配線パターン（アルミニウム）を形成した。なお、この環状配線パターン（張り出し電極）は、半導体領域１４の輪郭上に位置し、光検出領域内の準位を安定させる機能を有する。そして、この環状配線パターンに連続するこれと同一幅の抵抗体（ポリシリコン：１６０ｋΩ）を図４に示すものと同様に形成した場合、検出効率（％）は、波長４００ｎｍから５００ｎｍの範囲において、最小で４４％、最大で５２％であった。なお、比較例１の構造において、第１コンタクト電極の位置と、抵抗体の環状配線パターンとの接続位置とはずれている。

【0118】

また、比較例２として、比較例１における間隔Ｘ＝１５μｍとして、図８における抵抗層の内側位置に第１コンタクト電極を設け、第１コンタクト電極から抵抗層４Ｂとほぼ同一形状で若干小さな環状配線パターン（アルミニウム）を形成した。なお、この環状配線パターン（張り出し電極）は、半導体領域１４の輪郭上に位置し、光検出領域内の準位を安定させる機能を有する。そして、この環状配線パターンに連続するこれと同一幅の抵抗体（ポリシリコン：５００ｋΩ）を図８に示すものと同様に形成した場合、検出効率（％）は、波長４００ｎｍから５００ｎｍの範囲において、最小で３６％、最大で４２％であった。なお、比較例２の構造において、第１コンタクト電極の位置と、抵抗体の環状配線パターンとの接続位置とはずれている。

【0119】

なお、第１コンタクト電極の位置と、抵抗体の環状配線パターンとの接続位置とはずれているため、間隔Ｘ＝１０μｍ以下とすることは、製造プロセス上困難である。

【0120】

比較例１，２の構造においては、環状配線パターン及び光透過率の低い抵抗部の全てが、実効的な開口率を低下させる遮光要素として機能し、光検出感度が低下している。一方、実施形態に係るフォトダイオードアレイは、抵抗層４Ｂが、環状配線パターンと同一の表面準位安定化機能を達成しつつも、高い光透過率を有し、また、ポリシリコンのような付加的な抵抗体を用いていないので、著しく光検出感度を向上させることができる。

【0121】

次に、回復時間（電圧回復時間）の影響について、検査を行った。

【0122】

図１１は、上述のフォトダイオードからの出力（ガイガーモード）と時間の関係を示すグラフである。オシロスコープの出力映像を示しており、縦軸は、フォトダイオードの出力強度（ゲイン）を示しており、縦軸の１つの間隔は５０ｍＶを示し、横軸の１つの間隔は、５（ｎｓ）を示している。同グラフでは、ピーク強度電圧の異なる複数のデータが示されているが、これはフォトダイオードに入射するフォトン数の違いによるものであり、フォトン数が多いほど、出力強度も大きくなる。同グラフでは、７３（Ｖ）のバイアス電圧が印加されている。なお、ΔＶ＝フォトダイオードへのバイアス電圧−フォトダイオードのブレークダウン電圧は、ΔＶ＝１（Ｖ）以上４（Ｖ）以下の範囲内である。

【0123】

フォトダイオードの出力信号の回復時間（τ）は、フォトンが光検出部１０に入射した場合、光検出部１０からの出力の強度ピーク値を与える時刻から、この強度ピーク値の３７％に光検出部１０からの出力がなる時刻までの期間で規定される。

【0124】

光検出部の間隔Ｘ＝５０μｍ（図４）の場合（図１１（Ａ））、フォトダイオードへのバイアス電圧が７３Ｖの場合、回復時間（τ）は、１３ｎｓである。

【0125】

光検出部の間隔Ｘ＝２０μｍ（図６）の場合（図１１（Ｂ））、フォトダイオードへのバイアス電圧が７３Ｖの場合、回復時間（τ）は、５．０ｎｓである。

【0126】

光検出部の間隔Ｘ＝１５μｍ（タイプＡ：図７）の場合（図１１（Ｃ））、フォトダイオードへのバイアス電圧が７３Ｖの場合、回復時間（τ）は、４．３ｎｓである。

【0127】

光検出部の間隔Ｘ＝１０μｍの場合（図１１（Ｄ））、フォトダイオードへのバイアス電圧が７３Ｖの場合、回復時間（τ）は、２．３ｎｓ以下とすることができる。

【0128】

なお、上述の比較例１の場合、回復時間（τ）は、１３ｎｓであり、比較例２の場合の回復時間（τ）は、５．０ｎｓであった。

【0129】

詳説すれば、比較例１の構造の場合（光検出部１０の離間間隔Ｘ＝５０μｍ）、開口率は６０％であり、接合容量Ｃｊ＝８０ｆＦ、ゲイン＝７．５×１０^５、回復時間１３ｎｓ、画素数密度（４００個／ｍｍ^２）、フォトンの検出効率は最大で５２％である。

【0130】

また、比較例２の構造の場合（光検出部１０の離間間隔Ｘ＝１５μｍ）、開口率は５５％であり、接合容量Ｃｊ＝１１ｆＦ、ゲイン＝２．０×１０^５、回復時間４．３ｎｓ、画素数密度（４４８９個／ｍｍ^２）、フォトンの検出効率は最大で４２％である。

【0131】

なお、Ｘ＝１５μｍの場合、図７及び図８の実施形態の構造においては、開口率は６０％とすることができ、接合容量Ｃｊ＝１１ｆＦ、ゲイン＝２．０×１０^５、回復時間４．３ｎｓ、画素数密度（４４８９個／ｍｍ^２）である。

【0132】

このように、実施形態の構造では、比較例１と同じ開口率を達成しつつ、接合容量Ｃｊを低減し、回復時間を短くすることができる。また、単位面積当たりに含まれる画素数が多いため、ダイナミックレンジを向上させることができる。

【0133】

以上のように、隣接する第２コンタクト電極間の間隔（光検出領域の中心間の間隔）Ｘが、２０μｍ以下の場合、回復時間（τ）が著しく短くなる。光検出部の間隔Ｘ＝１５μｍ以下であれば、回復時間（τ）を１０ｎｓ以下とすることができる。間隔Ｘを、１０μｍ以下とすれば、回復時間（τ）は、更に短くなる。これは、従来、達成できなかった顕著な改善である。

【0134】

上述のように、実施形態に係るフォトダイオードアレイでは、金属薄膜抵抗の高い透過率を利用し、比較例１，２において用いた張り出し電極の代わりに、線状にパターニングされた金属薄膜抵抗により、張り出し構造を形成し、デッドスペースを低減している。所望の抵抗値を得るために、図５〜図９に示す構造の場合、抵抗層４Ｂによって、半導体領域１４の輪郭（エッジ）の一部（右隅の位置）を被覆することができないが、この部分は、抵抗層４Ｂの幅程度であり、表面準位安定化に対する特性低下の影響は小さい。また、図４に示す構造では、半導体領域１４の輪郭（エッジ）の全てを被覆している。

【0135】

図１２は、図１及び図２に示したフォトダイオードアレイの製造方法について説明するための図である。

【0136】

まず、図１２（Ａ）に示すように、半導体領域（半導体基板）１２上に、エピタキシャル成長法又は不純物拡散法或いはイオン注入法により、半導体領域１３を形成する。なお、半導体領域１２は、ＣＺ法又はＦＺ法により形成された（１００）Ｓｉ半導体基板であるが、他の面方位を有する半導体基板を用いることもできる。Ｓｉエピタキシャル成長法を用いる場合には、例えば、原材料として、気相の四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）と三塩化シラン（トリクロルシラン、ＳｉＨＣｌ_３）を用い、成長温度１２００℃において、基板表面上にこれらのガスを流す。不純物拡散法の場合には、半導体領域１３の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域１２内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域１３の導電型に対応する不純物を半導体領域１２内にイオン注入する。

【0137】

次に、半導体領域１３の表面側の領域に、半導体領域１４を形成する。これには不純物の拡散法又はイオン注入法を用いることができる。例えば、拡散法において、不純物原材料として、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）を用いる場合には、拡散温度を１２００℃に設定することができる。半導体領域１４の形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、半導体領域１３上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、不純物の添加を行う。なお、不純物の添加は、格子状の配線パターン３Ｃを形成した後、これをマスクとして、絶縁層１６を介して、イオン注入法により行ってもよい。

【0138】

次に、半導体基板上に絶縁層１６を形成する。絶縁層１６は、Ｓｉ熱酸化法を用いて形成することができる。酸化温度は例えば１０００℃である。これにより、半導体領域１３及び１４の表面が酸化され、ＳｉＯ_２からなる絶縁層１６が形成される。絶縁層１６の形成にはＣＶＤ法を用いることもできる。

【0139】

次に、絶縁層１６における半導体領域１４上の位置に、コンタクトホールを形成する。コンタクトホールの形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層１６上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、絶縁層１６をエッチングする。エッチング法としては、ドライエッチング法の他、ＨＦ水溶液を含むエッチング液によるウエットエッチングを用いることもできる。

【0140】

次に、絶縁層１６上に、蒸着法により、第１コンタクト電極３Ａ及び配線パターン３Ｃを形成する。これらの形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層１６上に所定のレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、電極材料を絶縁層１６上に蒸着する。ここでは、蒸着法に代えて、スパッタ法を用いることもできる。

【0141】

次に、図１２（Ｂ）に示すように、絶縁層１６上に絶縁層１７を形成する。絶縁層１７は、スパッタ法やプラズマＣＶＤ法を用いて形成することができる。プラズＣＶＤ法を用いる場合、原材料ガスとして、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガスを用い、成長温度を２００℃程度に設定して絶縁層１７の成長を行う。絶縁層１７の厚みは、その表面が平坦化される厚みに設定されることが好ましく、絶縁層１６の表面から配線パターン３Ｃの上面までの高さよりも大きいことが好ましい。

【0142】

次に、図１２（Ｃ）に示すように、絶縁層１７上に、抵抗部４を形成する。この形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層１７上に所定のレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、抵抗材料を絶縁層１７上にスパッタ法又は蒸着法を用いて堆積する。抵抗体が、ＳｉＣｒからなる場合、スパッタ法を用い、ターゲット材料としては、例えば、ＳｉとＣｒの組成比が７０％／３０％のＳｉＣｒを用いることができ、厚みは３〜５０ｎｍに設定することができる。

【0143】

なお、図１３に示す構造の光検出部を製造する場合、半導体領域１４の形成前に、半導体領域１５を不純物拡散法又はイオン注入法を用いて、半導体領域１３の表面側に形成しておけばよい。不純物拡散法の場合には、半導体領域１５の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域１３内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域１５の導電型に対応する不純物を半導体領域１３内にイオン注入する。

【0144】

なお、上述の実施形態の場合、抵抗層４Ｂの平面形状は、環状又はリングの一部の形状或いは、スパイラル形状であったが、これは方形波、三角波又は正弦波のように蛇行形状であってもよい。

【0145】

また、実施形態に係るフォトダイオードアレイの効果について、更に説明する。

【0146】

ガイガーモードにおいてフォトダイオードアレイを動作させる場合、フォトン（光子）が１つの光検出部１０に入射した場合の回復時間（電圧回復時間）τは、光検出部１０における光検出領域の面積及びｐｎ接合から広がる空乏層幅によって規定される接合容量（画素容量）Ｃｊと、抵抗部４の抵抗値（クエンチング抵抗値Ｒｑ）の積（ＲＣ定数＝Ｃｊ×Ｒｑ）に依存する。

【0147】

画素サイズ（光検出部の面積）を小さくすると、接合容量Ｃｊは小さくなるので、同一の回復時間τ、すなわち、同一のＲＣ定数を得るためには、クエンチング抵抗値Ｒｑを大きくする必要がある。クエンチング抵抗値Ｒｑは、抵抗率、厚さ、幅及び長さを調整して決定することができる。抵抗率、幅、厚さはプロセス条件により制限されるため、抵抗値Ｒｑは、長さを変えることで、調整することが合理的である。同一の回復時間τを得るには、画素サイズが大きいほど、抵抗層４Ｂを短く設定し、画素サイズが小さいほど、抵抗層４Ｂを長く設定する。

【0148】

ＲＣ定数が小さすぎる場合には、アバランシェ増倍発生後のクエンチングが不十分となり、ラッチング電流と呼ばれる現象が生じ、正常な動作を示さない。一方、ＲＣ定数が大きすぎる場合には、回復時間（電圧回復時間）が長くなる。したがって、ＲＣ定数の値は、デバイスに応じた最適な値（２〜２０ｎｓ）に設定される。

【0149】

なお、ゲインは接合容量Ｃｊと印加電圧に依存しており、実施形態の構造は、接合容量Ｃｊを小さくすることで、ゲインを低減している。フォトダイオードアレイのノイズ成分として、ダークパルスの他にアフターパルス、オプティカルクロストークによる擬似出力信号も含まれている。アフターパルスはアバランシェ増倍により発生した電子・ホールの一部が不純物準位等にトラップされ、ある時間間隔をおいて、後に放出されることで、再度アバランシェ増倍が起こり発生するパルスのことである。オプティカルクロストークはアバランシェ増倍中に低確率で発生したフォトンが隣接ピクセルに進入、吸収されることで発生した電子・ホール対が、アバランシェ増倍を起こし発生するパルスによるものである。いずれも１フォトンに対する出力が１パルスでなく複数パルスとなってしまうノイズ成分である。

【0150】

実施形態の構造のように、接合容量Ｃｊ、すなわち、ゲインが小さければアバランシェ増倍により発生する電子・ホール対の総数が少なくなるため、アフターパルス、オプティカルクロストークによるパルスが発生する確率が少なくなり、ノイズ低減の効果が得られる。

【0151】

接合容量Ｃｊが大きく、ゲインが大きい素子であるほど、発生したキャリアを掃き出す時間が長いため、電圧回復時間は長く、ゲインが小さいほど、回復時間は短くなる。実施形態のように、画素ピッチを小さくすると、電圧回復時間が短くなり、フォトンのカウントレートを向上させることができる。

【符号の説明】

【0152】

１０…光検出部、１２…第１半導体領域、１４（１３）…第２半導体領域、３Ａ…第１コンタクト電極、４Ａ…第２コンタクト電極、４Ｂ…抵抗層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図10】

【図12】

【図13】

【図14】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図11】