特開 2023-142241 光検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023142241

(43)【公開日】2023-10-05

(54)【発明の名称】光検出装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/108 20060101AFI20230928BHJP

   H01L 31/107 20060101ALI20230928BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20230928BHJP

   G01J 1/02 20060101ALI20230928BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 C

H01L31/10 B

H01L27/146 A

G01J1/02 B

G01J1/02 Q

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022049038

(22)【出願日】2022-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100119035

【弁理士】

【氏名又は名称】池上 徹真

(74)【代理人】

【識別番号】100141036

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 章

(74)【代理人】

【識別番号】100178984

【弁理士】

【氏名又は名称】高下 雅弘

(72)【発明者】

【氏名】安田 健介

【テーマコード（参考）】

2G065

4M118

5F149

5F849

【Ｆターム（参考）】

2G065AA04

2G065BA02

2G065BA09

2G065BA34

4M118AA05

4M118AB01

4M118BA09

4M118CA03

4M118CA06

4M118CB14

4M118FA06

4M118FA26

4M118FA28

5F149AA05

5F149AA07

5F149AB03

5F149BA04

5F149BA17

5F149BB03

5F149CB01

5F149CB10

5F149DA25

5F149DA44

5F149EA04

5F149EA18

5F149FA05

5F149FA11

5F149FA15

5F149FA20

5F149HA15

5F149XB24

5F149XB38

5F149XB39

5F849AA05

5F849AA07

5F849AB03

5F849BA04

5F849BA17

5F849BB03

5F849CB01

5F849CB10

5F849DA25

5F849DA44

5F849EA04

5F849EA18

5F849FA05

5F849FA11

5F849FA15

5F849FA20

5F849HA15

5F849XB24

5F849XB38

5F849XB39

(57)【要約】

【課題】ノイズの抑制が可能な光検出装置を提供する。
【解決手段】実施形態の光検出装置は、アレイ状に配置された複数のセル領域と、セル領域の間に設けられた素子分離領域と、を備えた光検出装置であって、セル領域は、第１の面と、第１の面と対向する第２の面と、を有する半導体層と、半導体層の中に設けられた第１導電形の第１の半導体領域と、第１の半導体領域と第１の面との間に設けられた第２導電形の第２の半導体領域と、第２の半導体領域に接する電極と、一部が第１の半導体領域に囲まれ、別の一部が第２の半導体領域に囲まれる複数の金属領域と、を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アレイ状に配置された複数のセル領域と、前記セル領域の間に設けられた素子分離領域と、を備えた光検出装置であって、
前記セル領域は、
第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、を有する半導体層と、
前記半導体層の中に設けられた第１導電形の第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域と前記第１の面との間に設けられた第２導電形の第２の半導体領域と、
前記第２の半導体領域に接する電極と、
一部が前記第１の半導体領域に囲まれ、別の一部が前記第２の半導体領域に囲まれる複数の金属領域と、
を含む、光検出装置。

【請求項2】

前記金属領域は前記第１の半導体領域に接し、前記金属領域は前記第２の半導体領域に接する請求項１記載の光検出装置。

【請求項3】

前記金属領域と前記第１の半導体領域との間の接合、及び、前記金属領域と前記第２の半導体領域との間の接合は、ショットキー接合である請求項２記載の光検出装置。

【請求項4】

前記セル領域は、前記金属領域に囲まれる絶縁領域を、更に含む請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の光検出装置。

【請求項5】

前記セル領域は、前記金属領域と前記第１の半導体領域との間、及び、前記金属領域と前記第２の半導体領域との間に設けられた絶縁膜を、更に含む請求項１記載の光検出装置。

【請求項6】

前記素子分離領域は、
前記半導体層と、
前記半導体層に対し前記第１の面の側に設けられた絶縁層と、
前記半導体層との間に前記絶縁層が設けられ、前記電極に電気的に接続された抵抗層とを、含む請求項１ないし請求項５いずれか一項記載の光検出装置。

【請求項7】

アレイ状に配置された複数のセル領域と、前記セル領域の間に設けられた素子分離領域と、を備えた光検出装置であって、
前記セル領域は、
第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、を有する半導体層と、
前記半導体層の中に設けられた第１導電形の第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域と前記第１の面との間に設けられた第２導電形の第２の半導体領域と、
前記第２の半導体領域に接する電極と、
前記半導体層の前記第１の面の側に設けられ、前記第１の半導体領域との間に、前記第２の半導体領域が設けられる複数の金属領域と、
を含む、光検出装置。

【請求項8】

前記金属領域は前記第２の半導体領域に接する請求項７記載の光検出装置。

【請求項9】

前記セル領域は、前記金属領域と前記第２の半導体領域との間に設けられた絶縁膜を、更に含む請求項７記載の光検出装置。

【請求項10】

前記素子分離領域は、
前記半導体層と、
前記半導体層に対し前記第１の面の側に設けられた絶縁層と、
前記半導体層との間に前記絶縁層が設けられ、前記電極に電気的に接続された抵抗層とを、含む請求項７ないし請求項９いずれか一項記載の光検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、光検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

微弱な光を検出する光検出装置として、複数のセル領域がアレイ状に配置され、各セル領域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）が開発されている。ＳｉＰＭは、入射される一個の光子を検出することが可能な高い検出感度を備える。

【0003】

一方、ＳｉＰＭは、高い検出感度を備えるがゆえに、ノイズの発生を抑制することが課題となる。抑制すべきノイズには、クロストークノイズと遅延ノイズがある。

【0004】

クロストークノイズは、例えば、電子雪崩で生じた二次光子が、隣接するセル領域に入射されることで生じる。遅延ノイズは、セル領域に生じたキャリアが時間を経てから電子雪崩を引き起こすことで生じる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５－６１０６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明が解決しようとする課題は、ノイズの抑制が可能な光検出装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様の光検出装置は、アレイ状に配置された複数のセル領域と、前記セル領域の間に設けられた素子分離領域と、を備えた光検出装置であって、前記セル領域は、第１の面と、前記第１の面と対向する第２の面と、を有する半導体層と、前記半導体層の中に設けられた第１導電形の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域と前記第１の面との間に設けられた第２導電形の第２の半導体領域と、前記第２の半導体領域に接する電極と、一部が前記第１の半導体領域に囲まれ、別の一部が前記第２の半導体領域に囲まれる複数の金属領域と、を含む。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１の実施形態の光検出装置の模式上面図。

【図2】第１の実施形態の光検出装置の模式断面図。

【図3】第１の実施形態の光検出装置の拡大模式断面図。

【図4】第１の実施形態の光検出装置の拡大模式上面図。

【図5】第１の実施形態の光検出装置の拡大模式断面図。

【図6】比較例の光検出装置の模式断面図。

【図7】比較例の光検出装置の等価回路図。

【図8】第１の実施形態の光検出装置の作用及び効果の説明図。

【図9】第１の実施形態の変形例の光検出装置の拡大模式断面図。

【図10】第１の実施形態の変形例の光検出装置の拡大模式上面図。

【図11】第２の実施形態の光検出装置の拡大模式断面図。

【図12】第２の実施形態の光検出装置の拡大模式上面図。

【図13】第３の実施形態の光検出装置の拡大模式断面図。

【図14】第３の実施形態の光検出装置の拡大模式上面図。

【図15】第４の実施形態の光検出装置の拡大模式断面図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

【0010】

本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する場合がある。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。

【0011】

本明細書中、ｎ^＋形、ｎ形、ｎ^－形との表記がある場合、ｎ^＋形、ｎ形、ｎ^－形の順でｎ形の不純物濃度が低くなっていることを意味する。また、ｐ^＋形、ｐ形、ｐ^－形の表記がある場合、ｐ^＋形、ｐ形、ｐ^－形の順で、ｐ形の不純物濃度が低くなっていることを意味する。

【0012】

本明細書中、半導体領域の不純物濃度の分布及び絶対値は、例えば、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）を用いて測定することが可能である。また、２つの半導体領域の不純物濃度の相対的な大小関係は、例えば、走査型静電容量顕微鏡法（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＣＭ）を用いて判定することが可能である。

【0013】

本明細書中の光検出装置を構成する部材の化学組成の定性分析及び定量分析は、例えば、ＳＩＭＳ、エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＤＸ）により行うことが可能である。また、光検出装置を構成する部材の厚さ、部材間の距離等の測定には、例えば、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）を用いることが可能である。また、光検出装置を構成する部材の物質の同定には、例えば、Ｘ線回折分析（Ｘ－ｒａｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）、電子線回折分析（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＢＤ）、Ｘ線光電分光分析（Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＸＰＳ）を用いることが可能である。

【0014】

（第１の実施形態）
第１の実施形態の光検出装置は、アレイ状に配置された複数のセル領域と、セル領域の間に設けられた素子分離領域と、を備えた光検出装置であって、セル領域は、第１の面と、第１の面と対向する第２の面と、を有する半導体層と、半導体層の中に設けられた第１導電形の第１の半導体領域と、第１の半導体領域と第１の面との間に設けられた第２導電形の第２の半導体領域と、第２の半導体領域に接する電極と、一部が第１の半導体領域に囲まれ、別の一部が第２の半導体領域に囲まれる複数の金属領域と、を含む。

【0015】

以下、第１導電形がｐ形、第２の導電形がｎ形の場合を例に説明する。

【0016】

図１は、第１の実施形態の光検出装置の模式上面図である。

【0017】

図１に示すように、光検出装置１００は、セル領域１００ａと素子分離領域１００ｂを含む。複数のセル領域１００ａが、アレイ状に配置される。各セル領域１００ａに１個のＡＰＤが設けられる。

【0018】

図１では、アレイ状に配置されるセル領域１００ａの数は４９個であるが、セル領域１００ａの数は特に限定されるものではない。セル領域１００ａの数は例えば、１０個以上１０００個以下である。

【0019】

セル領域１００ａの形状は、例えば、上面から見て矩形である。セル領域１００ａの形状は、例えば、上面から見て正方形である。セル領域１００ａの１辺の長さは、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下である。

【0020】

素子分離領域１００ｂは、セル領域１００ａの間に設けられる。素子分離領域１００ｂは、各セル領域１００ａを囲む。素子分離領域１００ｂは、隣り合うセル領域１００ａとセル領域１００ａとの間を電気的に分離する機能を有する。

【0021】

図２は、第１の実施形態の光検出装置の模式断面図である。図２は、図１のＡＡ’断面である。

【0022】

光検出装置１００は、半導体層１０を備える。半導体層１０は、ｐ形半導体領域１１（第１の半導体領域）及びｎ形半導体領域１２（第２の半導体領域）を含む。ｐ形半導体領域１１は、基板部分１１ａ（第１の部分）、低不純物濃度部分１１ｂ（第２の部分）、高不純物濃度部分１１ｃ（第３の部分）を含む。

【0023】

光検出装置１００は、表面電極１６（電極）、金属領域１８、素子分離絶縁層２２（絶縁層）、抵抗層２４、第１のコンタクト部２６、第２のコンタクト部２８、第１の配線層３０、第２の配線層３２を、備える。

【0024】

半導体層１０は、第１の面（図２中のＦ１）と第２の面（図２中のＦ２）とを有する。以下、第１の面Ｆ１を表面とも称する。また、第２の面Ｆ２を裏面とも称する。

【0025】

半導体層１０は、例えば、シリコンである。半導体層１０は、例えば、単結晶シリコンである。

【0026】

セル領域１００ａは、半導体層１０を含む。セル領域１００ａの半導体層１０は、ｐ形半導体領域１１及びｎ形半導体領域１２を含む。

【0027】

セル領域１００ａのｐ形半導体領域１１は、基板部分１１ａ、低不純物濃度部分１１ｂ、及び高不純物濃度部分１１ｃを含む。

【0028】

基板部分１１ａは、ｐ^＋形の半導体である。基板部分１１ａは、第２の面Ｆ２の側に設けられる。

【0029】

基板部分１１ａには、例えば、接地電位（ＧＮＤ）が印加される。

【0030】

低不純物濃度部分１１ｂは、ｐ^－形の半導体である。低不純物濃度部分１１ｂは、基板部分１１ａと第１の面Ｆ１との間に設けられる。

【0031】

低不純物濃度部分１１ｂは、例えば、基板部分１１ａの上にエピタキシャル成長法によって形成されたエピタキシャル成長層である。低不純物濃度部分１１ｂのｐ形不純物濃度は、基板部分１１ａのｐ形不純物濃度よりも低い。

【0032】

低不純物濃度部分１１ｂの第１の面Ｆ１から第２の面Ｆ２に向かう方向の厚さは、例えば、１μｍ以上５μｍ以下である。

【0033】

高不純物濃度部分１１ｃは、ｐ形の半導体である。高不純物濃度部分１１ｃは、低不純物濃度部分１１ｂと第１の面Ｆ１との間に設けられる。高不純物濃度部分１１ｃは、低不純物濃度部分１１ｂとｎ形半導体領域１２との間に設けられる。

【0034】

高不純物濃度部分１１ｃは、例えば、ｐ形不純物を半導体層１０の表面からイオン注入することにより形成される。高不純物濃度部分１１ｃのｐ形不純物濃度は、低不純物濃度部分１１ｂのｐ形不純物濃度よりも高い。

【0035】

ｎ形半導体領域１２は、ｎ^＋形の半導体である。ｎ形半導体領域１２は、ｐ形半導体領域１１と第１の面Ｆ１との間に設けられる。ｎ形半導体領域１２は、高不純物濃度部分１１ｃと第１の面Ｆ１との間に設けられる。

【0036】

ｎ形半導体領域１２の第１の面Ｆ１から第２の面Ｆ２に向かう方向の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上１μｍ以下である。

【0037】

セル領域１００ａにおいて、ｐ形半導体領域１１とｎ形半導体領域１２によりＡＰＤが形成される。セル領域１００ａにおいて、基板部分１１ａ、低不純物濃度部分１１ｂ、高不純物濃度部分１１ｃ、及びｎ形半導体領域１２によりＡＰＤが形成される。

【0038】

セル領域１００ａは、表面電極１６を含む。表面電極１６は、ｎ形半導体領域１２に電気的に接続される。表面電極１６は、ｎ形半導体領域１２に接する。

【0039】

表面電極１６は、導電体である。表面電極１６は、例えば、金属である。

【0040】

図３は、第１の実施形態の光検出装置の拡大模式断面図である。図３は、セル領域１００ａの断面図である。図３は、図４のＣＣ’断面である。

【0041】

図４は、第１の実施形態の光検出装置の拡大模式上面図である。図４は、セル領域１００ａの第１の面Ｆ１の上面図である。図４は、図３の上面図である。

【0042】

図５は、第１の実施形態の光検出装置の拡大模式断面図である。図５は、図３のＢＢ’断面である。図５は、第１の面Ｆ１に平行な断面である。

【0043】

セル領域１００ａは、半導体層１０の表面側に複数の金属領域１８を含む。複数の金属領域１８は、半導体層１０の表面において、所定の間隔で配置される。

【0044】

金属領域１８は、例えば、半導体層１０の表面に設けられたトレンチ１７の中に位置する。金属領域１８は、例えば、半導体層１０の表面に設けられたトレンチ１７を金属で埋め込むことにより形成される。

【0045】

金属領域１８の一部は、ｐ形半導体領域１１に囲まれる。金属領域１８の別の一部は、ｎ形半導体領域１２に囲まれる。

【0046】

金属領域１８の一部は、第１の面Ｆ１に平行な断面において、ｐ形半導体領域１１に囲まれる。金属領域１８の別の一部は、第１の面Ｆ１に平行な断面において、ｎ形半導体領域１２に囲まれる。

【0047】

例えば、図５に示すように、金属領域１８の下部１８ａは、ｐ形半導体領域１１に囲まれる。金属領域１８の下部１８ａは、高不純物濃度部分１１ｃに囲まれる。

【0048】

例えば、図４に示すように、金属領域１８の上部１８ｂは、ｎ形半導体領域１２に囲まれる。

【0049】

金属領域１８は、ｎ形半導体領域１２を貫通して、ｐ形半導体領域１１に達する。金属領域１８は、ｎ形半導体領域１２を貫通して、高不純物濃度部分１１ｃに達する。

【0050】

金属領域１８は、ｐ形半導体領域１１に接する。金属領域１８は、高不純物濃度部分１１ｃに接する。金属領域１８は、ｎ形半導体領域１２に接する。

【0051】

金属領域１８とｐ形半導体領域１１との間の接合は、例えば、ショットキー接合である。金属領域１８と高不純物濃度部分１１ｃとの間の接合は、例えば、ショットキー接合である。金属領域１８とｎ形半導体領域１２との間の接合は、例えば、ショットキー接合である。

【0052】

金属領域１８の間の第１の面Ｆ１における最大幅は、例えば、１ｎｍ以上１μｍ以下である。隣り合う２つの金属領域１８の間の第１の面Ｆ１における距離は、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

【0053】

金属領域１８は、金属である。金属領域１８は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、又はコバルト（Ｃｏ）である。

【0054】

なお、セル領域１００ａの第１の面Ｆ１において、ｎ形半導体領域１２はｐ形半導体領域１１に囲まれる。セル領域１００ａの第１の面Ｆ１において、ｎ形半導体領域１２は、例えば、低不純物濃度部分１１ｂに囲まれる。

【0055】

素子分離領域１００ｂは、半導体層１０と、素子分離絶縁層２２と、抵抗層２４とを含む。

【0056】

素子分離領域１００ｂは、ｐ形半導体領域１１を含む。素子分離領域は、ｎ形半導体領域１２を含まない。

【0057】

素子分離領域１００ｂにおいて、ｐ形半導体領域１１は第１の面Ｆ１に接する。素子分離領域１００ｂにおいて、例えば、低不純物濃度部分１１ｂは第１の面Ｆ１に接する。

【0058】

素子分離絶縁層２２は、半導体層１０の第１の面Ｆ１側に設けられる。素子分離絶縁層２２は、半導体層１０の表面上に設けられる。素子分離絶縁層２２は、例えば、酸化シリコンである。

【0059】

抵抗層２４は、素子分離絶縁層２２の上に設けられる。半導体層１０と抵抗層２４との間に、素子分離絶縁層２２が設けられる。

【0060】

抵抗層２４の抵抗率は、表面電極１６の抵抗率よりも高い。

【0061】

抵抗層２４は、金属又は半導体である。抵抗層２４は、例えば、多結晶シリコンである。

【0062】

抵抗層２４は、表面電極１６に電気的に接続される。抵抗層２４の一端は、第１のコンタクト部２６、及び、第１の配線層３０を経由して、表面電極１６に電気的に接続される。

【0063】

また、抵抗層２４の他端は、第２のコンタクト部２８を経由して第２の配線層３２に電気的に接続される。

【0064】

抵抗層２４の抵抗率は、例えば、第１のコンタクト部２６の抵抗率よりも高い。抵抗層２４の抵抗率は、例えば、第２のコンタクト部２８の抵抗率よりも高い。抵抗層２４の抵抗率は、例えば、第１の配線層３０の抵抗率よりも高い。抵抗層２４の抵抗率は、例えば、第２の配線層３２の抵抗率よりも高い。

【0065】

第２の配線層３２には、例えば、正の電源電位Ｖｒが印加される。表面電極１６には、例えば、正の電源電位Ｖｒが印加される。

【0066】

次に、第１の実施形態の光検出装置１００の作用及び効果について説明する。

【0067】

図６は、比較例の光検出装置の模式断面図である。比較例の光検出装置９００は、複数のＡＰＤが設けられたＳｉＰＭである点で、第１の実施形態の光検出装置９００と同様である。図６は、第１の実施形態の図２に対応する図である。

【0068】

比較例の光検出装置９００は、セル領域１００ａに金属領域１８を含まない点で、第１の実施形態の光検出装置１００と異なる。また、比較例の光検出装置９００は、低不純物濃度部分１１ｂの厚さが厚い点で、第１の実施形態の光検出装置１００と異なる。

【0069】

以下、比較例の光検出装置９００を参照して、複数のＡＰＤが設けられたＳｉＰＭの動作について説明する。

【0070】

図７は、比較例の光検出装置の等価回路図である。図７は、第１の実施形態の光検出装置の等価回路図でもある。

【0071】

各セル領域１００ａは１個のＡＰＤである。また、各セル領域１００ａのＡＰＤには、１個の抵抗層２４が直列に接続されている。光検出装置９００では、それぞれに抵抗層２４が直列接続された複数のＡＰＤが、並列に接続されてている。

【0072】

図６に示すように、基板部分１１ａに接地電位（ＧＮＤ）が印加され、第２の配線層３２に正の電源電圧（Ｖｒ）が印加されることで、ＡＰＤには逆バイアス電圧が印加されていることになる。

【0073】

ＡＰＤのｎ形半導体領域１２とｐ形半導体領域１１のｐｎ接合を挟んで、空乏層が半導体層１０に広がる。特に、ｐ形不純物濃度の低い低不純物濃度部分１１ｂに空乏層が広がる。低不純物濃度部分１１ｂは、光子を吸収する光吸収層として機能する。

【0074】

例えば、セル領域１００ａの空乏層に光子が入射すると、電子正孔対が発生する。例えば、発生した電子及び正孔は、ｐｎ接合に向かって流れ、ｐｎ接合界面の急峻な電位勾配を有する増幅層で加速され、電子雪崩（アバランシェ）が引き起こされる。電子雪崩が引き起こされることによりＡＰＤに流れる電流が増幅されるため、例えば、一個の光子の入射を一つのセル領域１００ａで検知できる。

【0075】

光検出装置９００は、図７に示すように、複数のセル領域１００ａが並列に接続されるため、同時に入射された光子の個数をカウントすることができる。

【0076】

各セル領域１００ａに接続される抵抗層２４は、いわゆるクエンチング抵抗として機能する。クエンチング抵抗は、ＡＰＤで生じた電子雪崩を、その電圧降下によって終息させる機能を有する。

【0077】

光検出装置９００は、高い検出感度を備えるがゆえに、ノイズの発生を抑制することが要求される。抑制すべきノイズには、クロストークノイズと遅延ノイズがある。

【0078】

クロストークノイズは、例えば、電子雪崩で生じた二次光子が、隣接するセル領域１００ａに入射されることで生じる。光検出装置９００の検出感度を向上する観点から、空乏層が形成され、光吸収層として機能する低不純物濃度部分１１ｂの厚さは厚いことが好ましい。しかし、低不純物濃度部分１１ｂの厚さを厚くすると、隣接するセル領域１００ａに二次光子が入射しやすくなり、クロストークノイズが大きくなるおそれがある。

【0079】

また、遅延ノイズは、低不純物濃度部分１１ｂに残存するキャリアが時間が経ってから電子雪崩を引き起こすことで生じる。低不純物濃度部分１１ｂの厚さを厚くすると残存するキャリアも多くなるため、遅延ノイズが大きくなるおそれがある。

【0080】

したがって、光検出装置９００の高い検出感度を維持したまま、光吸収層として機能する低不純物濃度部分１１ｂの厚さを薄くすることが、ノイズを抑制する観点から望ましい。

【0081】

第１の実施形態の光検出装置１００は、セル領域１００ａが金属領域１８を備える。光検出装置１００は、セル領域１００ａが金属領域１８を備えることで、高い検出感度を実現することが可能となる。

【0082】

したがって、高い検出感度を維持したまま、低不純物濃度部分１１ｂの厚さを薄くすることが可能となる。よって、光検出装置１００のノイズを抑制することが可能となる。以下、詳述する。

【0083】

図８は、第１の実施形態の光検出装置の作用及び効果の説明図である。図８（ａ）は金属領域１８を含む部分の断面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の点線枠で囲った領域のバンド図である。

【0084】

数ｎｍ～数百ｎｍオーダーの金属構造は、その金属種、大きさ、形状等に応じた波長の光に対して、極めて大きな吸光特性を示す。これは金属内の自由電子と入射光の共鳴によって、金属構造における光の局在化が生じるためである。この共鳴状態をプラズモンと呼ぶ。

【0085】

近接した金属と半導体は、大きく以下の２種の過程で相互作用する。

【0086】

一つ目の過程は、ＰＩＲＥＴ（ｐｌａｓｍｏｎ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ）である。プラズモンによって金属構造の近傍に発生する増強電場は、入射光が金属構造に閉じ込められ局在化するように振る舞う。局在化した光は、近接する半導体内でのバンドキャップ間の光励起を誘起する。

【0087】

金属構造に局在化した光によって、ｐｎ接合部における光励起確率を顕著に向上させることが可能となる。図８（ｂ）に示すように、ＰＩＥＲＴにより増幅層で生成されたキャリアは、電子・正孔の両方が電位勾配に従って加速され、電子雪崩に寄与する。

【0088】

二つ目の過程は、ＤＥＴ（ｄｉｒｅｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ）である。金属構造に局在化した光は、その失活過程で金属内で電子正孔対を形成する。この時、金属構造と半導体がショットキー接合を形成している場合、キャリアが一定の確率で半導体へ注入される。

【0089】

図８（ｂ）に示すように、金属構造中で励起した電子正孔対が、ショットキー障壁を超えて半導体層に注入される。半導体層に注入された電子・正孔は、電位勾配に従って加速され、電子雪崩に寄与する。

【0090】

以上説明した原理により、金属領域１８と半導体層１０との相互作用により、光検出装置１００の光吸収感度が顕著に向上する。このため、光検出装置１００の検出感度が顕著に向上する。したがって、高い検出感度を維持したまま、低不純物濃度部分１１ｂの厚さを薄くすることが可能となる。よって、光検出装置１００のノイズを抑制することが可能となる。

【0091】

ＤＥＴによる効果を実現する観点から、金属領域１８とｐ形半導体領域１１との間の接合は、ショットキー接合であることが好ましい。また、金属領域１８とｎ形半導体領域１２との間の接合は、ショットキー接合であることが好ましい。

【0092】

ショットキー接合を実現する観点から、半導体層１０がシリコンの場合、金属領域１８の金属が、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、又は金（Ａｕ）であることが好ましい。

【0093】

（変形例）
図９は、第１の実施形態の変形例の光検出装置の拡大模式断面図である。図９は、第１の実施形態の図３に対応する図である。図９は、図１０のＣＣ’断面である。

【0094】

図１０は、第１の実施形態の変形例の光検出装置の拡大模式上面図である。図１０は、セル領域１００ａの第１の面Ｆ１の上面図である。図１０は、図９の上面図である。

【0095】

第１の実施形態の変形例の光検出装置は、セル領域１００ａは、金属領域１８に囲まれる絶縁領域１９を、更に含む点で、第１の実施形態の光検出装置１００と異なる。

【0096】

第１の面Ｆ１に平行な断面において、絶縁領域１９は、金属領域１８に囲まれる。絶縁領域１９は、例えば、酸化シリコンである。

【0097】

金属領域１８は、例えば、金属薄膜で形成される。例えば、半導体層１０に設けられたトレンチ１７を金属薄膜で埋め込み、その後、金属薄膜の内側を、絶縁物で埋め込むことで、図９、図１０に示すセル領域１００ａの構造が形成できる。

【0098】

第１の実施形態の変形例の光検出装置においても、第１の実施形態の光検出装置１００と同様の効果が得られる。

【0099】

以上、第１の実施形態及び変形例によれば、ノイズの抑制が可能な光検出装置が実現できる。

【0100】

（第２の実施形態）
第２の実施形態の光検出装置は、セル領域は、金属領域と第１の半導体領域との間、及び、金属領域と第２の半導体領域との間に設けられた絶縁膜を、更に含む点で、第１の実施形態の光検出装置と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する場合がある。

【0101】

第２の実施形態の光検出装置は、第１の実施形態と同様、複数のＡＰＤが設けられたＳｉＰＭである。

【0102】

図１１は、第２の実施形態の光検出装置の拡大模式断面図である。図１１は、第１の実施形態の図３に対応する図である。図１１は、図１２のＣＣ’断面である。

【0103】

図１２は、第２の実施形態の光検出装置の拡大模式上面図である。図１２は、セル領域１００ａの第１の面Ｆ１の上面図である。図１２は、図１１の上面図である。

【0104】

第２の実施形態の光検出装置は、セル領域１００ａは、絶縁膜２０を含む。絶縁膜２０は、金属領域１８とｐ形半導体領域１１との間、及び、金属領域１８とｎ形半導体領域１２との間に設けられる。絶縁膜２０は、例えば、酸化シリコンである。

【0105】

例えば、半導体層１０に設けられたトレンチ１７に絶縁膜２０を熱酸化で形成する。その後、絶縁膜２０の内側を、金属で埋め込むことで、図１１、図１２に示すセル領域１００ａの構造が形成できる。

【0106】

第２の実施形態の光検出装置は、金属領域１８が半導体層１０と接しないため、ＤＥＴによる効果は得られない。しかしながら、ＰＩＲＥＴによる効果は、第１の実施形態の光検出装置１００と同様に得られる。よって、光検出装置のノイズを抑制することが可能となる。

【0107】

以上、第２の実施形態によれば、ノイズの抑制が可能な光検出装置が実現できる。

【0108】

（第３の実施形態）
第３の実施形態の光検出装置は、アレイ状に配置された複数のセル領域と、セル領域の間に設けられた素子分離領域と、を備えた光検出装置であって、セル領域は、第１の面と、第１の面と対向する第２の面と、を有する半導体層と、半導体層の中に設けられた第１導電形の第１の半導体領域と、第１の半導体領域と第１の面との間に設けられた第２導電形の第２の半導体領域と、第２の半導体領域に接する電極と、半導体層の第１の面の側に設けられ、第１の半導体領域との間に、第２の半導体領域が設けられる複数の金属領域と、を含む。

【0109】

第３の実施形態の光検出装置は、金属領域と第１の半導体領域との間に、第２の半導体領域が設けられる点で、第１の実施形態の光検出装置と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する場合がある。

【0110】

第３の実施形態の光検出装置は、第１の実施形態と同様、複数のＡＰＤが設けられたＳｉＰＭである。

【0111】

図１３は、第３の実施形態の光検出装置の拡大模式断面図である。図１３は、第１の実施形態の図３に対応する図である。図１３は、図１４のＣＣ’断面である。

【0112】

図１４は、第３の実施形態の光検出装置の拡大模式上面図である。図１４は、セル領域１００ａの第１の面Ｆ１の上面図である。図１４は、図１３の上面図である。

【0113】

第３の実施形態の光検出装置は、金属領域１８は、半導体層１０の第１の面Ｆ１の側に設けられる。金属領域１８は第１の面Ｆ１の上に設けられる。金属領域１８はｎ形半導体領域１２の上に設けられる。金属領域１８はｎ形半導体領域１２に接する。

【0114】

金属領域１８とｐ形半導体領域１１との間に、ｎ形半導体領域１２が設けられる。金属領域１８とｐ形半導体領域１１は、第２の面Ｆ２から第１の面Ｆ１に向かう方向に離間する。

【0115】

金属領域１８とｎ形半導体領域１２との間の接合は、例えば、ショットキー接合である。

【0116】

第３の実施形態の光検出装置は、ＤＥＴ及びＰＩＲＥＴによる効果が得られる。したがって、高い検出感度を維持したまま、低不純物濃度部分１１ｂの厚さを薄くすることが可能となる。よって、光検出装置のノイズを抑制することが可能となる。

【0117】

以上、第３の実施形態によれば、ノイズの抑制が可能な光検出装置が実現できる。

【0118】

（第４の実施形態）
第４の実施形態の光検出装置は、金属領域と第２の半導体領域との間に設けられた絶縁膜を、更に含む点で、第３の実施形態の光検出装置と異なる。以下、第１の実施形態又は第３の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する場合がある。

【0119】

第４の実施形態の光検出装置は、第３の実施形態と同様、複数のＡＰＤが設けられたＳｉＰＭである。

【0120】

図１５は、第４の実施形態の光検出装置の拡大模式断面図である。図１５は、第３の実施形態の図１３に対応する図である。

【0121】

第４の実施形態の光検出装置は、セル領域１００ａは、絶縁膜２０を含む。絶縁膜２０は、金属領域１８とｎ形半導体領域１２との間に設けられる。絶縁膜２０は、例えば、酸化シリコンである。

【0122】

第４の実施形態の光検出装置は、金属領域１８が半導体層１０と接しないため、ＤＥＴによる効果は得られない。しかしながら、ＰＩＲＥＴによる効果は、第３の実施形態の光検出装置と同様に得られる。よって、光検出装置のノイズを抑制することが可能となる。

【0123】

以上、第４の実施形態によれば、ノイズの抑制が可能な光検出装置が実現できる。

【0124】

第１ないし第４の実施形態では、第１導電形がｐ形、第２導電形がｎ形である場合を例に説明したが、第１導電形がｎ形、第２導電形をｐ形とすることも可能である。その場合、例えば、基板部分１１ａには、正の電源電位Ｖｒが印加される。また、例えば、第２の配線層３２には、接地電位（ＧＮＤ）が印加される。

【0125】

第１ないし第４の実施形態では、半導体層１０がシリコンである場合を例に説明したが、半導体層１０は、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）等、シリコン以外の半導体であっても構わない。

【0126】

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。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。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。

【符号の説明】

【0127】

１０ 半導体層
１１ ｐ形半導体領域（第１の半導体領域）
１２ ｎ形半導体領域（第２の半導体領域）
１６ 表面電極（電極）
１８ 金属領域
１８ａ 下部（一部）
１８ｂ 上部（別の一部）
１９ 絶縁領域
２０ 絶縁膜
２２ 素子分離絶縁層（絶縁層）
２４ 抵抗層
１００ａ セル領域
１００ｂ 素子分離領域
１００ 光検出装置
Ｆ１ 第１の面
Ｆ２ 第２の面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】