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(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】
(24)【登録日】2022-01-06
(45)【発行日】2022-01-21
(54)【発明の名称】光子検出装置及び光子検出方法
(51)【国際特許分類】
G01J 1/42 20060101AFI20220114BHJP
H01L 31/107 20060101ALI20220114BHJP
H01L 31/10 20060101ALI20220114BHJP
【ＦＩ】
G01J1/42 H
H01L31/10 B
H01L31/10 G
【請求項の数】
17
(21)【出願番号】P 2020535944
(86)(22)【出願日】2018-07-11
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-11-19
(86)【国際出願番号】 KR2018007849
(87)【国際公開番号】W WO2019050146
(87)【国際公開日】2019-03-14
【審査請求日】2020-05-07
(31)【優先権主張番号】10-2017-0114816
(32)【優先日】2017-09-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】519125449
【氏名又は名称】アイディー クワンティック ソシエテ アノニム
(73)【特許権者】
【識別番号】520079348
【氏名又は名称】ウリロ カンパニー、リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】パク、チャン ヨン
(72)【発明者】
【氏名】ベック、スー ヒョン
(72)【発明者】
【氏名】パク、チュル ウー
(72)【発明者】
【氏名】チョ、ソク ボム
【審査官】大河原 綾乃
(56)【参考文献】
【文献】特開２００３－２４３６９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０３３４４３４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１３３０５８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】韓国登録特許第１０－１６７２５０９（ＫＲ，Ｂ１）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１６－００４８４３６（ＫＲ，Ａ）
【文献】TOMITA, Akihisa，Balanced, gated-mode photon detector for quantum-bit discrimination at 1550nm，OPTICS LETTERS，2002年，Vol.27, No.20，p.1827-1829
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｊ１／００ － Ｇ０１Ｊ１／６０
Ｈ０１Ｌ３１／００ － Ｈ０１Ｌ３１／１８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光子を受信すると共にゲート信号の供給を受けて第１信号を出力する第１受光部；上記光子の受信をすることなく上記ゲート信号の供給を受けて第２信号を出力する第２受光部；及び、
上記第１受光部から受信される第１信号と上記第２受光部から受信される第２信号とに基づいて上記光子が上記第１受光部で受信されたことを判断する判断部；を含み、
上記光子が受信された上記第１受光部の降伏電圧は上記第２受光部の降伏電圧よりも低く、
上記判断部は、
上記第２信号を位相反転し上記第１信号と合成して生成される信号に基づいて上記光子が上記第１受光部で受信されたことを判断し、
上記第１信号は、
上記光子の受信に起因する信号と上記第１受光部に起因する信号とを含み、
上記第２信号は、
上記第２受光部に起因する信号を含み、
上記第１受光部に起因する信号は、
上記第１受光部の静電容量に起因する第１静電容量性応答信号であり、
上記第２受光部に起因する信号は、
上記第２受光部の静電容量に起因する第２静電容量性応答信号であり、
上記第１静電容量性応答信号は上記第２静電容量性応答信号と実質的に同一である、光子検出装置。
【請求項2】
上記ゲート信号は、活性化期間では第１電圧に維持され、上記活性化期間を除いた残りの非活性化期間では上記第１電圧よりも低い第２電圧に維持される請求項１に記載の光子検出装置。
【請求項3】
上記第１電圧は、上記第１受光部の降伏電圧よりも高く上記第２受光部の降伏電圧よりも低いか、又は、上記第１受光部の降伏電圧及び上記第２受光部の降伏電圧よりも高い請求項２に記載の光子検出装置。
【請求項4】
上記第１受光部に含まれる増幅層と上記第２受光部に含まれる増幅層とは、互いに異なる厚さを有する請求項１に記載の光子検出装置。
【請求項5】
増幅層の厚さと降伏電圧の大きさが比例する場合、上記第２受光部に含まれる増幅層は、上記第１受光部に含まれる増幅層よりもさらに大きい厚さを有する請求項４に記載の光子検出装置。
【請求項6】
上記第１受光部に含まれる増幅層と上記第２受光部に含まれる増幅層とは、互いに異なる直径を有する請求項４に記載の光子検出装置。
【請求項7】
上記第２受光部に含まれる増幅層は、上記第１受光部に含まれる増幅層よりもさらに大きい直径を有する請求項６に記載の光子検出装置。
【請求項8】
上記第１受光部及び上記第２受光部が形成された基板を含む請求項１に記載の光子検出装置。
【請求項9】
上記第１受光部及び上記第２受光部は上記基板の第１面上に位置する請求項８に記載の光子検出装置。
【請求項10】
上記基板の第１面と対向する上記基板の第２面上に位置する遮断膜をさらに含む請求項９に記載の光子検出装置。
【請求項11】
上記遮断膜は、上記第１受光部に対応するように位置する透過孔を含む請求項１０に記載の光子検出装置。
【請求項12】
上記透過孔内に位置する反射防止膜をさらに含む請求項１１に記載の光子検出装置。
【請求項13】
上記基板の第１面は、上記第１受光部と上記第２受光部との間の素子分離溝によって区分された第１領域及び第２領域を含み；上記第１受光部は上記第１領域に位置し、上記第２受光部は上記第２領域に位置する請求項９に記載の光子検出装置。
【請求項14】
光子が受信され第１降伏電圧を有する第１受光部からゲート信号の供給による第１信号を受信する段階；上記光子の受信をすることなく上記第１降伏電圧よりも高い第２降伏電圧を有する第２受光部から上記ゲート信号の供給による第２信号を受信する段階；及び、
上記第１信号と上記第２信号に基づいて上記光子が上記第１受光部で受信されたことを判断する段階；を含み、
上記判断する段階は、
上記第２信号を位相反転し上記第１信号と合成して生成される信号に基づいて上記光子が上記第１受光部で受信されたことを判断し、
上記第１信号は、
上記光子の受信に起因する信号と上記第１受光部に起因する信号とを含み、
上記第２信号は、
上記第２受光部に起因する信号を含み、
上記第１受光部に起因する信号は、
上記第１受光部の静電容量に起因する第１静電容量性応答信号であり、
上記第２受光部に起因する信号は、
上記第２受光部の静電容量に起因する第２静電容量性応答信号であり、
上記第１静電容量性応答信号は上記第２静電容量性応答信号と実質的に同一である、光子検出方法。
【請求項15】
上記ゲート信号は、活性化期間では第１電圧に維持され、上記活性化期間を除いた残りの非活性化期間では上記第１電圧よりも低い第２電圧に維持される請求項１４に記載の光子検出方法。
【請求項16】
上記第１電圧は、上記第１受光部の降伏電圧よりも高く上記第２受光部の降伏電圧よりも低いか、又は、上記第１受光部の降伏電圧及び上記第２受光部の降伏電圧よりも高い請求項１５に記載の光子検出方法。
【請求項17】
上記第１信号と上記第２信号に基づいて上記光子が上記第１受光部で受信されたことを判断する段階は、上記第２信号を位相反転し上記第１信号と合成して生成される信号に基づいて上記光子が上記第１受光部で受信されたことを判断する請求項１４に記載の光子検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光子検出装置及び光子検出方法に関し、特に高い光検出効率を有する光子検出装置及び光子検出方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
情報通信技術の高度化によって量子暗号通信技術が発展しているが、このような量子暗号通信技術では単一光子水準の微弱な光信号を検出する技術の重要性が増している。
【0003】
単一光子のように強さが微弱な光信号を検出するために単一光子検出装置（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）が用いられる。このような単一光子検出装置の受光素子としてアバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）が主に用いられる。
【0004】
単一光子検出装置のアバランシェフォトダイオードがガイガーモードで動作される場合、アバランシェフォトダイオードによってアバランシェ信号が発生することができる。
【0005】
このとき、アバランシェフォトダイオードから発生するアバランシェ信号がアバランシェフォトダイオードの静電容量性応答信号に比べて大きくない時にはアバランシェ信号だけを獲得（又は検出）するにあたって困難がある。
【0006】
単一光子検出装置でアバランシェ信号を検出することができない場合、単一光子のような強さの弱い光信号を検出することができなくなる問題が発生し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、高い光子検出効率を有する光子検出装置及び光子検出方法を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記のような目的を達成するための本発明の一実施例による光子検出装置は、ゲート信号の供給を受けて第１信号を出力する第１受光部；上記ゲート信号の供給を受けて第２信号を出力する第２受光部；及び、上記第１受光部から受信される第１信号と上記第２受光部から受信される第２信号とに基づいて光子を受信するか否かを判断する判断部；を含む。
【0009】
具体的に、光子が受信される上記第１受光部の降伏電圧は、上記第２受光部の降伏電圧よりも低くてもよい。
【0010】
具体的に、上記ゲート信号は、活性化期間では第１電圧に維持され、上記活性化期間を除いた残りの非活性化期間では上記第１電圧よりも低い第２電圧に維持されることができる。
【0011】
具体的に、上記第１電圧は、上記第１受光部の降伏電圧よりも高く上記第２受光部の降伏電圧よりも低くてもよく、又は上記第１受光部の降伏電圧及び上記第２受光部の降伏電圧よりも高くてもよい。
【0012】
具体的に、上記判断部は、上記第２信号を位相反転し上記第１信号と合成して生成される信号に基づいて光子を受信するか否かを判断することができる。
【0013】
具体的に、上記第１信号は、光子の受信に起因する信号と上記第１受光部に起因する信号とを含むことができ、上記第２信号は、上記第２受光部に起因する信号を含むことができる。
【0014】
具体的に、上記第１受光部に起因する信号は上記第１受光部の静電容量に起因する第１静電容量性応答信号であり得、上記第２受光部に起因する信号は上記第２受光部の静電容量に起因する第２静電容量性応答信号であり得、上記第１静電容量性応答信号は上記第２静電容量性応答信号と実質的に同一であり得る。
【0015】
具体的に、上記第１受光部に含まれる増幅層と上記第２受光部に含まれる増幅層とは、互いに異なる厚さを有することができる。
【0016】
具体的に、増幅層の厚さと降伏電圧の大きさが比例する場合、上記第２受光部に含まれる増幅層は、上記第１受光部に含まれる増幅層よりもさらに大きい厚さを有することができる。
【0017】
具体的に、上記第１受光部に含まれる増幅層と上記第２受光部に含まれる増幅層とは、互いに異なる直径を有することができる。
【0018】
具体的に、上記第２受光部に含まれる増幅層は、上記第１受光部に含まれる増幅層よりもさらに大きい直径を有することができる。
【0019】
具体的に、上記第１受光部及び上記第２受光部が形成された基板を含むことができる。
【0020】
具体的に、上記第１受光部及び上記第２受光部は、上記基板の第１面上に位置することができる。
【0021】
具体的に、上記基板の第１面と対向する上記基板の第２面上に位置する遮断膜をさらに含むことができる。
【0022】
具体的に、上記遮断膜は、上記第１受光部に対応するように位置する透過孔を含むことができる。
【0023】
具体的に、上記透過孔内に位置する反射防止膜をさらに含むことができる。
【0024】
具体的に、上記基板の第１面は、上記第１受光部と上記第２受光部との間の素子分離溝によって区分された第１領域及び第２領域を含むことができ、上記第１受光部は上記第１領域に位置することができ、上記第２受光部は上記第２領域に位置することができる。
【0025】
本発明の一実施例による光子検出方法は、光子が受信され第１降伏電圧を有する第１受光部からゲート信号の供給による第１信号を受信する段階；上記第１降伏電圧よりも高い第２降伏電圧を有する第２受光部から上記ゲート信号の供給による第２信号を受信する段階；及び、上記第１信号と上記第２信号に基づいて光子を受信するか否かを判断する段階；を含む。
【0026】
具体的に、上記ゲート信号は、活性化期間では第１電圧に維持されることができ、上記活性化期間を除いた残りの非活性化期間では上記第１電圧よりも高い第２電圧に維持されることができる。
【0027】
具体的に、上記第１電圧は、上記第１受光部の降伏電圧よりも高く上記第２受光部の降伏電圧よりも低くてもよく、又は上記第１受光部の降伏電圧及び上記第２受光部の降伏電圧よりも高くてもよい。
【0028】
具体的に、上記第１信号と上記第２信号に基づいて光子を受信するか否かを判断する段階は、上記第２信号を位相反転し上記第１信号と合成して生成される信号に基づいて光子を受信するか否かを判断することができる。
【発明の効果】
【0029】
本発明による光子検出装置及び光子検出方法により、高い光子検出効率で光子を検出する効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】本発明の一実施例による光子検出装置を示した図面である。
【図3】第１受光部から出力された第１信号の波形を示した図面である。
【図5】互いに異なる降伏電圧を有する第１受光部及び第２受光部に印加されたゲート信号によるアバランシェ増幅の大きさを説明するための図面である。
【図6】アバランシェフォトダイオードの増幅層の厚さによる降伏電圧の変化を示した特性曲線である。
【図8】本発明の一実施例による光子検出方法を示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【0031】
本発明の利点及び特徴、並びにそれらを達成する方法は、添付図面と共に詳しく後述されている実施例を参照すれば明確になるであろう。しかし、本発明は、以下で開示されている実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現され、ただ本実施例は本発明の開示を完全にし、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によって定義されるだけである。よって、いくつかの実施例で、よく知られた工程段階、よく知られた素子構造及びよく知られた技術は、本発明が曖昧に解釈されることを避けるために具体的に説明しない。明細書全体にわたって同一の参照符号は同一の構成要素を指し示す。
【0032】
図面で色々な層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。明細書全体を通して類似の部分に対しては同一の図面符号を付した。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の“上に”あると言うとき、これは他の部分の“すぐ上に”ある場合だけではなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。反対に、ある部分が他の部分の“すぐ上に”あると言うときには、中間に他の部分がないことを意味する。また、層、膜、領域、板などの部分が他の部分の“下に”あると言うとき、これは他の部分の“すぐ下に”ある場合だけではなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。反対に、ある部分が他の部分の“すぐ下に”あると言うときには、中間に他の部分がないことを意味する。
【0033】
空間的に相対的な用語である“下（ｂｅｌｏｗ）”、“下（ｂｅｎｅａｔｈ）”、“下部（ｌｏｗｅｒ）”、“上（ａｂｏｖｅ）”、“上部（ｕｐｐｅｒ）”などは、図面に示されているように、一つの素子又は構成要素と異なる素子又は構成要素との相関関係を容易に記述するために使われることができる。空間的に相対的な用語は、図面に示されている方向に加えて、使用時又は動作時、素子の互いに異なる方向を含む用語として理解されなければならない。例えば、図面に示されている素子を裏返す場合、他の素子の“下（ｂｅｌｏｗ）”又は“下（ｂｅｎｅａｔｈ）”と記述されている素子は、他の素子の“上（ａｂｏｖｅ）”に置かれることができる。よって、例示的な用語である“下”は、下と上の方向をいずれも含むことができる。素子は他の方向にも配向されることができ、これにより空間的に相対的な用語は配向によって解釈されることができる。
【0034】
本明細書において、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは、直接的に連結されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで電気的に連結されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を含むと言うとき、これは、特別にそれと反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
【0035】
本明細書において、第１、第２、第３などの用語は多様な構成要素を説明するのに使われることができるが、このような構成要素は上記用語によって限定されるものではない。上記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的で使われる。例えば、本発明の権利範囲から逸脱せず、第１構成要素が第２又は第３構成要素等と命名されることができ、同様に第２又は第３構成要素も交互的に命名されることができる。
【0036】
他の定義がなければ、本明細書で使用される全ての用語（技術及び科学的用語を含む）は、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者に共通に理解できる意味で用いられることができる。また、一般的に用いられる辞典に定義されている用語は、明白に特別に定義されていない限り理想的に又は過度に解釈されない。
【0037】
【0038】
図１は、本発明の一実施例による光子検出装置を示した図面である。
【0039】
本発明の一実施例による光子検出装置は、図１に示されているように、受光部ＡＰＤ、ゲート信号発生部１０２及び判断部１０５を含む。
【0040】
受光部ＡＰＤは、第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２を含む。
【0041】
第１受光部ＡＰＤ１はアバランシェフォトダイオードを含むことができるが、これに限定されるものではなく、光子を検出するための素子を含むことができる。例えば、第１受光部ＡＰＤ１はアバランシェフォトダイオードであり得る。
【0042】
第２受光部ＡＰＤ２はアバランシェフォトダイオードを含むことができるが、これに限定されるものではなく、光子を検出するための素子を含むことができる。例えば、第２受光部ＡＰＤ２はアバランシェフォトダイオードであり得る。
【0043】
第１受光部ＡＰＤ１は第２受光部ＡＰＤ２に並列に接続される。
【0044】
例えば、第１受光部ＡＰＤ１と第２受光部ＡＰＤ２はそれぞれカソード電極とアノード電極を含むことができるが、第１受光部ＡＰＤ１のカソード電極及び第２受光部ＡＰＤ２のカソード電極は第１ノードｎ１に連結され、第１受光部ＡＰＤ１のアノード電極は第２ノードｎ２に連結され、第２受光部ＡＰＤ２のアノード電極は第３ノードｎ３に連結される。
【0045】
第１ノードｎ１はゲート信号発生部１０２に連結される。
【0046】
第２ノードｎ２は抵抗Ｒ１に連結される。例えば、第２ノードｎ２は抵抗Ｒ１の一側端子に連結されることができる。このとき、この抵抗Ｒ１の他側端子はグラウンド（ｇｒｏｕｎｄ）に連結される。
【0047】
第３ノードｎ３は抵抗Ｒ２に連結される。例えば、第３ノードｎ３は抵抗Ｒ３の一側端子に連結されることができる。このとき、この抵抗Ｒ２の他側端子はグラウンド（ｇｒｏｕｎｄ）に連結される。
【0048】
ゲート信号発生部１０２は、矩形波状のゲート信号ＧＳを出力する。例えば、ゲート信号発生部１０２は、パルス状又は正弦波状のゲート信号ＧＳを出力することができる。
【0049】
ゲート信号発生部１０２から出力されたゲート信号ＧＳは、第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２に供給される。
【0050】
具体的に、ゲート信号発生部１０２から出力されたゲート信号ＧＳは、第１ノードｎ１を介して第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２にそれぞれ印加されることができる。例えば、ゲート信号発生部１０２から出力されたゲート信号ＧＳは、第１ノードｎ１を介して第１受光部ＡＰＤ１のカソード電極及び第２受光部ＡＰＤ２のカソード電極にそれぞれ印加されることができる。
【0051】
ゲート信号発生部１０２からのゲート信号ＧＳにより第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２のうち少なくとも一つはゲイティッドガイガーモード（ｇａｔｅｄ Ｇｅｉｇｅｒ ｍｏｄｅ；以下、ガイガーモード）で動作する。
【0052】
ゲート信号発生部１０２は、直流電圧源１１２及びパルス発生部１１１を含む。直流電圧源１１２は直流電圧Ｖｄｃを提供し、パルス発生部１１１はパルスＰＳを発生する。例えば、直流電圧源１１２は直流電圧Ｖｄｃとしてバイアス電圧を提供することができる。
【0053】
ゲート信号発生部１０２で生成されるゲート信号ＧＳは、直流電圧Ｖｄｃを基準としてスイングするパルスＰＳであり得る。
【0054】
【0055】
図２に示されているように、ゲート信号ＧＳは、活性化期間Ｔａの間、第１電圧Ｖｇｈに維持され、その活性化期間Ｔａを除いた残りの非活性化期間Ｔｎａの間、第２電圧Ｖｇｌに維持される。
【0056】
具体的に、ゲート信号ＧＳは、活性化期間Ｔａに直流電圧よりもさらに高い第１電圧Ｖｇｈに維持され、非活性化期間Ｔｎａの間、その第１電圧Ｖｇｈよりもさらに低い第２電圧Ｖｇｌに維持される。
【0057】
ここで、ゲート信号ＧＳの第２電圧Ｖｇｌは、上述の直流電圧Ｖｄｃ、すなわちバイアス電圧に該当し得る。
【0058】
図２のＶＧは、ゲート信号ＧＳの振幅を意味する。そして、図２のΔＶは、降伏電圧ＶＢとゲート信号ＧＳの第１電圧Ｖｇｈとの間の差電圧の絶対値である。この差電圧ΔＶはオーバーバイアス（ｏｖｅｒ ｂｉａｓ）電圧を意味する。
【0059】
図２のＴｇは、ゲート信号ＧＳの一周期を意味する。
【0060】
外部からの光は、上述の活性化期間Ｔａに受光部ＡＰＤに入射される。例えば、活性化期間Ｔａに光源から受光部ＡＰＤに光子が入射されることができる。
【0061】
このとき、この光子は、第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２のうちいずれか一つにだけ入射される。
【0062】
例えば、その光子は、第１受光部ＡＰＤ１に入射され、第２受光部ＡＰＤ２には入射されない場合がある。このような場合、光子の供給を受ける第１受光部ＡＰＤ１は主受光部ＡＰＤと定義され、光子の供給を受けない第２受光部ＡＰＤ２は補助受光部ＡＰＤと定義されることができる。
【0063】
外部からの光子は、ゲート信号ＧＳが第１電圧Ｖｇｈに維持される活性化期間Ｔａに第１受光部ＡＰＤ１に入射するように制御されることができる。
【0064】
第１電圧Ｖｇｈは第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧ＶＢよりもさらに高い。第１電圧Ｖｇｈが第１受光部ＡＰＤ１に印加されるとき、第１受光部ＡＰＤ１はガイガーモードで動作する。言い換えれば、活性化期間Ｔａの間、第１受光部ＡＰＤ１はガイガーモードで動作する。
【0065】
ゲート信号ＧＳは、数十メガヘルツＭＨｚ乃至数ギガヘルツＧＨｚの周波数を有することができる。
【0066】
ガイガーモードの第１受光部ＡＰＤ１に光又は光子（例えば、単一光子）が入射してその第１受光部ＡＰＤ１にキャリア（電子－正孔対）が生成されると、電子又は正孔がその第１受光部ＡＰＤ１の増幅層に移動してアバランシェメカニズムにより増幅される。
【0067】
例えば、順方向バイアス時、アバランシェフォトダイオード（すなわち、第１受光部ＡＰＤ１）はその閾値電圧（例えば、約１．０Ｖ）以上でターンオン（Ｔｕｒｎ－ｏｎ）される。
【0068】
反面、逆方向バイアス時、外部から印加した電圧が降伏電圧ＶＢ以上になると、アバランシェフォトダイオードのＰＮ接合面で高い電界が形成される。このとき、光子の吸収によって発生した電子又は正孔が高い電界が印加された増幅層に注入されると、連続的なアバランシェ増幅（Ａｖａｌａｎｃｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）過程を経て電流が増幅されるアヴァランシェ・ブレークダウン（Ａｖａｌａｎｃｈｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）が発生する。これにより、逆方向電流が急激に増加することになる。
【0069】
アバランシェフォトダイオードのガイガーモードでは逆バイアスが降伏電圧よりも高く光子検出がなされることができる。
【0070】
一方、アバランシェフォトダイオードは、逆バイアスが降伏電圧以下である場合にも光子を検出することができる。ただし、逆バイアスが降伏電圧以下の場合は、低利得及び線形的な光子検出特性を有する。すなわち、アバランシェフォトダイオードは、入射された光子の数に比例する光電流を生成する。
【0071】
しかし、アバランシェフォトダイオードは、ガイガーモードでは線形的な光検出特性を失ってしまう。ガイガーモードで、アバランシェフォトダイオードは線形特性を失ってしまう代わりに大きい利得を提供する。
【0072】
ガイガーモードで、アバランシェフォトダイオードは理論的には単一光子（Ｓｉｎｇｌｅ ｐｈｏｔｏｎ）を検出して光電流を生成することができる。ここで、ガイガーモードでアバランシェフォトダイオードによって生成される光電流をガイガー電流と言う。
【0073】
したがって、ガイガーモードでは少ない個数の光子を検出しても相対的に大きい光電流が生成されることができるため、別途の複雑な低雑音増幅器（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）なしでも光子が検出されることができる。
【0074】
一方、アバランシェフォトダイオードは外部から入射される光子がない場合も光子が探知されたときと同一の信号を出力することもでき、このような探知比率を暗計数発生確率（Ｄａｒｋ Ｃｏｕｎｔ Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｐｒｅ ｇａｔｅ：ＤＣＰ）と言う。
【0075】
暗計数で表されるアバランシェフォトダイオードの暗電流は、第一は熱励起による電子－正孔対の生成、第二は空乏領域でトンネル効果による電流発生、第三は以前に入って来た光によって生成された電荷が閉じこめられ次の逆バイアスによってアバランシェされる現象などにより発生する。
【0076】
このような単一光子検出装置で、アバランシェ現象の発生過程中に生成された電荷キャリア（Ｃｈａｒｇｅ Ｃａｒｒｉｅｒｓ）のうちの一部はすぐに消滅しない。具体的に、アバランシェフォトダイオードがガイガーモードで動作する単一光子検出装置で、アバランシェ現象を通して生成された電荷キャリア（Ｃｈａｒｇｅ Ｃａｒｒｉｅｒｓ）のうちの一部はアバランシェフォトダイオードの内部に残り得る。
【0077】
よって、アバランシェフォトダイオードの内部に残っている電荷キャリアは、次のゲート信号ＧＳがそのアバランシェフォトダイオードに印加されるとき、アバランシェを発生させる。このような現象をアフターパルスノイズ（ａｆｔｅｒ ｐｕｌｓｅ ｎｏｉｓｅ）効果と言う。
【0078】
アフターパルスノイズは量子情報通信において信号対雑音比を減少させ光子検出の高速動作の障害になる要因であるため、なるべくアフターパルス発生確率を低めるのが望ましい。
【0079】
アバランシェフォトダイオードのカソード電極にゲート信号ＧＳの第１電圧Ｖｇｈが印加されると、このアバランシェフォトダイオードはターンオンされ、このターンオンされたアバランシェフォトダイオードのアノード電極から信号が出力される。この信号は、そのアバランシェフォトダイオード固有の静電容量に起因する静電容量性応答信号を含む。この静電容量性応答信号はアバランシェ信号のバックグラウンド（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ）信号として作用する。
【0080】
例えば、光子と第１電圧Ｖｇｈの供給を受ける第１受光部ＡＰＤ１から出力された信号（以下、第１信号）は、アバランシェ信号及びその第１受光部ＡＰＤ１固有の静電容量性応答信号（以下、第１静電容量性応答信号）を含む。
【0081】
一方、第１電圧Ｖｇｈの供給を受ける第２受光部ＡＰＤ２から出力された信号（以下、第２信号）は、その第２受光部ＡＰＤ２固有の静電容量性応答信号（以下、第２静電容量性応答信号）を含む。すなわち、第１受光部ＡＰＤ１とは異なり、光子の提供を受けない第２受光部ＡＰＤ２は、アバランシェ信号は出力せず、第２静電容量性応答信号のみを出力する。
【0082】
図３は、第１受光部ＡＰＤ１から出力された第１信号Ｓ１の波形を示した図面である。
【0083】
図３に示されているように、第１信号Ｓ１はアバランシェ信号Ａｖ及び第１静電容量性応答信号Ｃｐ１を含む。すなわち、第１受光部ＡＰＤ１には光子とゲート信号ＧＳが印加されるため、第１受光部ＡＰＤ１から出力された第１信号Ｓ１はアバランシェ信号Ａｖ及び第１静電容量性応答信号Ｃｐ１を含むことになる。
【0084】
一方、図示されていないが、第２受光部ＡＰＤ２からの第２信号は第２静電容量性応答信号を含む。すなわち、上述のように、第２受光部ＡＰＤ２には光子が入力されないため、この第２受光部ＡＰＤ２に第１ゲート信号ＧＳが印加されると、第２受光部ＡＰＤ２はその第２受光部ＡＰＤ２固有の静電容量に起因する静電容量性応答信号を出力する。
【0085】
アバランシェ信号のデジタル値は閾値Ｖｔｈに基づいて決まる。
【0086】
例えば、図３に示されているように、アバランシェ信号Ａｖ１が閾値Ｖｔｈよりも低いか同じ場合、そのアバランシェ信号Ａｖ１のデジタル値は０に決まる。その反面、図３に示されているように、アバランシェ信号Ａｖ２が閾値Ｖｔｈよりもさらに高い場合、そのアバランシェ信号Ａｖ２のデジタル値は１に決まる。アバランシェ信号Ａｖ２のデジタル値が１に決まるとき、第１受光部ＡＰＤ１に光子が入射されたものと判断される。
【0087】
閾値Ｖｔｈが低いほどより小さい大きさのアバランシェ信号も検出されることができ、この場合、より少ない個数の光子も検出することができる。
【0088】
しかし、この閾値Ｖｔｈが第１静電容量性応答信号Ｃｐ１よりも低い場合は、アバランシェ信号と関係なく、第１静電容量性応答信号Ｃｐ１によって１のデジタル値が算出される場合がある。すなわち、第１受光部ＡＰＤ１に光子が入射されもしなかったにもかかわらず、１のデジタル値が算出される場合がある。
【0089】
このような誤動作を防止するために、閾値Ｖｔｈは最小でも第１静電容量性応答信号Ｃｐ１よりもさらに大きくなければならない。しかし、閾値Ｖｔｈが増加するためには、第１受光部ＡＰＤ１の増幅度が増加しなければならず、第１受光部ＡＰＤ１の増幅度が増加すると、上述のアフターパルスノイズが増加する問題点が発生する。
【0090】
第１受光部ＡＰＤ１と第２受光部ＡＰＤ２は実質的に同一の静電容量性応答特性を有する。すなわち、第１静電容量性応答信号Ｃｐ１は、第２静電容量性応答信号と実質的に同一である。例えば、第２静電容量性応答信号Ｃｐ２は、図３の第１静電容量性応答信号Ｃｐ１と同一であり得る。
【0091】
判断部１０５は、第１受光部ＡＰＤ１からの第１信号（すなわち、アバランシェ信号Ａｖ及び第１静電容量性応答信号Ｃｐ１）と第２受光部ＡＰＤ２からの第２信号（すなわち、第２静電容量性応答信号Ｃｐ２）に基づいて光子を受信するか否かを判断する。
【0092】
このような判断部１０５は、差動部１０３及び判別部１０４を含むことができる。
差動部１０３は、第１受光部ＡＰＤ１のアノード電極から第１信号を受信し、第２受光部ＡＰＤ２のアノード電極から第２信号を受信し、その第１信号と第２信号の差値を出力する。
差動部１０３は、第１受光部ＡＰＤ１のアノード電極から第１信号を受信し、第２受光部ＡＰＤ２のアノード電極から第２信号を受信し、その第１信号と第２信号の差値を出力する。
【0093】
【0094】
【0095】
図４ａに示されているように、差動部１０３は第２信号Ｓ２の位相を１８０度反転させ、その位相反転された第２信号Ｓ２と第１信号Ｓ１を合成する。
【0096】
上述のように、第１静電容量性応答信号Ｃｐ１と第２静電容量性応答信号Ｃｐ２が実質的に同一の大きさを有するため、第１信号Ｓ１と位相反転された第２信号Ｓ２が合成されると、第１信号Ｓ１のアバランシェ信号Ａｖだけが検出される。
【0097】
すなわち、位相反転された第２信号Ｓ２の第２静電容量性応答信号Ｃｐ２は、第１静電容量性応答信号Ｃｐ１と大きさは同じであるが極性は相異するため、同一の大きさ（絶対値基準で同一の大きさ）の第１静電容量性応答信号Ｃｐ１と第２静電容量性応答信号Ｃｐ２の和は実質的に０である。したがって、図４ｂに示されているように、第１信号Ｓ１と位相反転された第２信号Ｓ２との合成によって生成された信号（すなわち、差動部１０３の出力信号）はアバランシェ信号Ａｖである。
【0098】
このように本発明の一実施例による光源検出装置は、バックグラウンド信号である静電容量性応答信号を除去することができるため、低いバイアス条件下でも相対的に高い光検出効率を示す。また、ゲート信号ＧＳの大きさが低くなり得るため、アフターパルスノイズ効果によるノイズも相当減らすことができる。
【0099】
上述の第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２は互いに異なる基板上に位置することができる。例えば、第１受光部ＡＰＤ１は第１基板上に位置し、第２受光部ＡＰＤ２はその第１基板と異なる第２基板上に位置することができる。
【0100】
第１受光部ＡＰＤ１及び第１基板を含む構成要素を第１モジュールと定義し、第２受光部ＡＰＤ２及び第２基板を含む構成要素を第２モジュールと定義することができる。このように第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２が互いに異なるモジュールに含まれる場合、第１受光部ＡＰＤ１の素子特性と第２受光部ＡＰＤ２の素子特性は相異し得る。この場合、第１受光部ＡＰＤ１の素子特性と第２受光部ＡＰＤ２の素子特性はチューニングによって同一に調整されることができる。
【0101】
一方、第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２は同一の一つの基板上に位置することができる。例えば、第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２はいずれも基板上に位置することができる。第１受光部ＡＰＤ１、第２受光部ＡＰＤ２及び基板は一つのモジュールに含まれることができる。このように第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２が一つのモジュールに位置する場合、第１受光部ＡＰＤ１の素子特性と第２受光部ＡＰＤ２の素子特性は実質的に同一であるため、素子特性のチューニングが不要になり得る。
【0102】
一方、第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２は、パターニングされたサブマウント（ｓｕｂ ｍｏｕｎｔ）上にハイブリッド（ｈｙｂｒｉｄ）方式で集積されることができる。このように第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２がハイブリッド方式で製造される場合、容易なモジュール組み立てにより生産性の増加が可能である。
【0103】
第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２は互いに異なる降伏電圧を有することができる。例えば、第２受光部ＡＰＤ２の降伏電圧は第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧よりもさらに高くてもよい。
【0104】
具体的に、光子が入射されない第２受光部ＡＰＤ２は、光子が入射される第１受光部ＡＰＤ１よりもさらに高い降伏電圧を有することができる。又は、光子が入射されない第２受光部ＡＰＤ２は、光子が入射される第１受光部ＡＰＤ１よりもさらに低い降伏電圧を有することができる。一つの例として、第２受光部ＡＰＤ２の降伏電圧は、第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧よりも０．１Ｖ～１０Ｖさらに高くてもよい。
【0105】
このように第２受光部ＡＰＤ２の降伏電圧が第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧よりもさらに高い場合、同一の大きさのゲート信号ＧＳが第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２に印加されるとき、第１受光部ＡＰＤ１だけが選択的にガイガーモードで動作されることができる。
【0106】
言い換えると、第２受光部ＡＰＤ２の降伏電圧が第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧よりもさらに高い場合、同一の大きさのゲート信号ＧＳに対して、第１受光部ＡＰＤ１はガイガーモードで動作する反面、第２受光部ＡＰＤ２はガイガーモードで動作しない場合がある。例えば、ゲート信号ＧＳの大きさが第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧よりは高く第２受光部ＡＰＤ２の降伏電圧よりは低い場合、第１受光部ＡＰＤ１はガイガーモードで動作する反面、第２受光部ＡＰＤ２はガイガーモードで動作しない場合がある。
【0107】
この時、第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２に印加されるゲート信号ＧＳは、第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧及び第２受光部ＡＰＤ２の降伏電圧よりもさらに高くてもよい。又は、第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２に印加されるゲート信号ＧＳは、第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧よりもさらに高く第２受光部ＡＰＤ２の降伏電圧よりもさらに低くてもよい。
【0108】
これを図５を参照して具体的に説明すれば、次の通りである。
【0109】
図５は、互いに異なる降伏電圧を有する第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２に印加されたゲート信号ＧＳによるアバランシェ増幅の大きさを説明するための図面である。
【0110】
第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧がＶＢ１であり、第２受光部ＡＰＤ２の降伏電圧がＶＢ２である場合、ゲート信号ＧＳの第１電圧ＶｇｈはＶＢ１及びＶＢ２よりも高い。この場合、第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２はいずれもガイガーモードで動作することになる。
【0111】
このとき、ＶＢ２がＶＢ１よりもさらに高いため、ＶＢ１とゲート信号ＧＳの第１電圧Ｖｇｈとの差電圧ΔＶ１（すなわち、差電圧の絶対値）は十分に大きい反面、ＶＢ２とそのゲート信号ＧＳの第１電圧Ｖｇｈとの差電圧ΔＶ２（すなわち、差電圧の絶対値）は相当小さい。よって、第１受光部ＡＰＤ１のアバランシェ増幅は相当大きい反面、第２受光部ＡＰＤ２のアバランシェ増幅は相当小さい。言い換えると、第１受光部ＡＰＤ１はガイガーモードで動作するため、そのアバランシェ増幅は大きい反面、第２受光部ＡＰＤ２は第１受光部ＡＰＤ１のガイガーモードでの逆バイアス状態よりもさらに低い逆バイス状態で動作するため、第２受光部ＡＰＤ２のアバランシェ増幅は小さい。すなわち、第２受光部ＡＰＤ２のアバランシェ増幅は、ガイガーモードで動作する第１受光部ＡＰＤ１のアバランシェ増幅に比べて相当小さい。
【0112】
このように第２受光部ＡＰＤ２のアバランシェ増幅が小さいため、第２受光部ＡＰＤ２の暗計数発生確率は減少する。そして、第２受光部ＡＰＤ２の暗計数発生確率が減少するにつれて、この第２受光部ＡＰＤ２からのノイズパルスが減少する。第２受光部ＡＰＤ２からのノイズパルスは、第１受光部ＡＰＤ１の出力に影響を与え得るため、第２受光部ＡＰＤ２からのノイズパルスが減少すると、第１受光部ＡＰＤ１の出力の信頼性が向上することができる。
【0113】
また、第２受光部ＡＰＤ２のノイズパルスが減少すると、ゲート信号ＧＳによる第２受光部ＡＰＤ２の出力はこの第２受光部ＡＰＤ２固有の静電容量性応答信号にさらに近接することができる。言い換えると、第２受光部ＡＰＤ２のノイズパルスが減少するにつれて、第２受光部ＡＰＤ２の出力からより正確な大きさ及び形態の静電容量性応答信号が検出されることができる。
【0114】
一方、第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧がＶＢ１であり、第２受光部ＡＰＤ２の降伏電圧がＶＢ２’である場合、ゲート信号ＧＳの第１電圧ＶｇｈはＶＢ１よりも高く、ＶＢ２’よりも低い。言い換えると、Ｖ２Ｂ’はゲート信号ＧＳの第１電圧Ｖｇｈよりもさらに高い。よって、第１受光部ＡＰＤ１はガイガーモードで動作する反面、第２受光部ＡＰＤ２はガイガーモードで動作しない。
【0115】
この場合、ガイガーモードで動作しない第２受光部ＡＰＤ２から第２受光部ＡＰＤ２の静電容量性応答信号を確認することができる。一方、第１受光部ＡＰＤ１から出力される信号にはアバランシェ信号と第２受光部ＡＰＤ２の静電容量性応答信号が含まれる。第１受光部ＡＰＤ１の静電容量性応答信号と第２受光部ＡＰＤ２の静電容量性応答信号が実質的に同一である場合には、第１受光部ＡＰＤ１から出力される信号と第２受光部ＡＰＤ２から出力される信号を用いて第１受光部ＡＰＤ１から出力されるアバランシェ信号を検出することができる。
【0116】
図６は、アバランシェフォトダイオードの増幅層の厚さによる降伏電圧の変化を示した特性曲線である。
【0117】
図６の特性曲線で、Ｘ軸はアバランシェフォトダイオードの増幅層の厚さを表し、Ｙ軸はアバランシェフォトダイオードの降伏電圧の大きさを表す。
【0118】
図６に示されているように、アバランシェフォトダイオードの増幅層の厚さが第１領域Ａ１に位置するとき、そのアバランシェフォトダイオードの降伏電圧は増幅層の厚さに反比例する。言い換えると、特性曲線の第１領域Ａ１でアバランシェフォトダイオードの降伏電圧は増幅層の厚さに反比例する。よって、この第１領域Ａ１で増幅層の厚さが増加するほど降伏電圧は減少する。
【0119】
その反面、アバランシェフォトダイオードの増幅層の厚さが第２領域Ａ２に位置するとき、そのアバランシェフォトダイオードの降伏電圧は増幅層の厚さに比例する。言い換えると、特性曲線の第２領域Ａ２でアバランシェフォトダイオードの降伏電圧は増幅層の厚さに比例する。よって、この第２領域Ａ２で増幅層の厚さが増加するほど降伏電圧は増加する。
【0120】
一般的に単一光子検出などに使用されるアバランシェフォトダイオードは、増幅層の厚さが第２領域Ａ２に位置する場合、良い特性を示す。
【0121】
図６で、Ｔｍ１及びＴｍ２は互いに異なる２個のアバランシェフォトダイオードの増幅層の厚さを示したものであり、これらＴｍ１及びＴｍ２は特性曲線の第２領域Ａ２に位置する。例えば、Ｔｍ１は上述の第１受光部ＡＰＤ１の増幅層の厚さであり得、Ｔｍ２は上述の第２受光部ＡＰＤ２の増幅層の厚さであり得る。
【0122】
図６で、ＶＢ１はＴｍ１に対応する降伏電圧を示し、ＶＢ２はＴｍ２に対応する降伏電圧を示す。例えば、ＶＢ１は上述の第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧であり得、ＶＢ２は上述の第２受光部ＡＰＤ２の降伏電圧であり得る。
【0123】
このようにアバランシェフォトダイオードの降伏電圧の大きさは、そのアバランシェフォトダイオードに含まれた増幅層の厚さによって調節可能である。例えば、図５に示されているように、第１受光部ＡＰＤ１の増幅層の厚さ及び第２受光部ＡＰＤ２の増幅層の厚さがいずれも特性曲線の第２領域Ａ２に含まれる場合、第２受光部ＡＰＤ２が第１受光部ＡＰＤ１よりもさらに大きい厚さの増幅層を有する場合に第２受光部ＡＰＤ２は第１受光部ＡＰＤ１よりもさらに高い降伏電圧を有することができる。このように、増幅層の厚さを通して第２受光部ＡＰＤ２が第１受光部ＡＰＤ１よりもさらに高い降伏電圧を有するようにすることにより、同一のゲート信号ＧＳを通して第１受光部ＡＰＤ１だけが選択的にガイガーモードで動作できるようにすることが可能である。
【0124】
【0125】
受光部ＡＰＤは、図７ａ及び図７ｂに示されているように、基板７００、第１導電層７０１ａ（ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ）、第２導電層７０１ｂ、第１光吸収層７０２ａ（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）、第２光吸収層７０２ｂ、第１グレーディング層７０３ａ（ｇｒａｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ）、第２グレーディング層７０３ｂ、第１電場調節層７０４ａ（ｆｉｅｌｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｙｅｒ）、第２電場調節層７０４ｂ、第１ウィンドウ層７０５ａ（ｗｉｎｄｏｗ ｌａｙｅｒ）、第２ウィンドウ層７０５ｂ、第１アノード電極７０９ａ、第２アノード電極７０９ｂ、第１カソード電極７１０ａ、第２カソード電極７１０ｂ、絶縁膜７１５、遮断膜８００及び反射防止膜９００（ａｎｔｉ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を含むことができるが、これに限定されるものではなく、必要に応じて一部の層又は膜が選択的に除かれてもよい。
【0126】
基板７００は、素子分離溝７５０によって定義された第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２を含む。素子分離溝７５０は、基板７００の互いに対向する２個の辺１１、２２の間に位置することができる。基板７００の互いに対向する辺１１、２２をそれぞれ第１辺１１及び第２辺２２と定義すると、第１辺１１及び第２辺２２はｘ軸方向に互いに対向する。第１領域ＡＡ１は素子分離溝７５０と第１辺１１との間に位置し、第２領域ＡＡ２は素子分離溝７５０と第２辺２２との間に位置する。
【0127】
図示されていないが、本発明の受光部ＡＰＤは素子分離溝７５０内に埋め立てられた素子分離膜をさらに含むことができる。素子分離膜は絶縁物質を含むことができる。
【0128】
基板７００はｎ型ＩｎＰ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ）を含む基板であり得る。また、基板７００はＩｎＰを含む半絶縁（ｓｅｍｉ－ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）基板であり得る。
【0129】
第１受光部ＡＰＤ１は基板７００の第１領域ＡＡ１に位置し、また、第２受光部ＡＰＤ２は基板７００の第２領域ＡＡ２に位置する。
【0130】
第１受光部ＡＰＤ１は、第１導電層７０１ａ、第１光吸収層７０２ａ、第１グレーディング層７０３ａ、第１電場調節層７０４ａ、第１ウィンドウ層７０５ａ、第１アノード電極７０９ａ及び第１カソード電極７１０ａを含む。ここで、第１ウィンドウ層７０５ａは、第１活性領域７０６ａ、第１増幅層７０７ａ（ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）及び第１ガードリング７０８ａ（ｇｕａｒｄ ｒｉｎｇ）を含む。
【0131】
第２受光部ＡＰＤ２は、第１受光部ＡＰＤ１と同様に、第２導電層７０１ｂ、第２光吸収層７０２ｂ、第２グレーディング層７０３ｂ、第２電場調節層７０４ｂ、第２ウィンドウ層７０５ｂ、第２アノード電極７０９ｂ及び第２カソード電極７１０ｂを含む。ここで、第２ウィンドウ層７０５ｂは、第２活性領域７０６ｂ、第２増幅層７０７ｂ及び第２ガードリング７０８ｂを含む。
【0132】
第１導電層７０１ａ及び第２導電層７０１ｂは基板７００上に位置する。例えば、第１導電層７０１ａは基板７００の第１領域ＡＡ１に位置し、第２導電層７０１ｂは基板７００の第２領域ＡＡ２に位置する。具体的に、第１導電層７０１ａは基板７００の第１領域ＡＡ１と第１光吸収層７０２ａとの間に位置し、第２導電層７０１ｂは基板７００の第２領域ＡＡ２と第２光吸収層７０２ｂとの間に位置する。
【0133】
第１導電層７０１ａ及び第２導電層７０１ｂは、それぞれｎ型ＩｎＰを含む導電層であり得る。
【0134】
第１及び第２光吸収層７０２ａ、７０２ｂは、外部から提供された光子（ｐｈｏｔｏｎ）をキャリア（ｃａｒｒｉｅｒ）、例えば電荷（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）に変換する。
【0135】
第１光吸収層７０２ａは第１導電層７０１ａ上に位置し、第２光吸収層７０２ｂは第２導電層７０１ｂ上に位置する。具体的に、第１光吸収層７０２ａは第１導電層７０１ａと第１グレーディング層７０３ａとの間に位置し、第２光吸収層７０２ｂは第２導電層７０１ｂと第２グレーディング層７０３ｂとの間に位置する。
【0136】
第１光吸収層７０２ａ及び第２光吸収層７０２ｂはそれぞれＩｎＧａＡｓ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ａｒｓｅｎｉｄｅ）を含む光吸収層であり得る。これとは異なり、第１光吸収層７０２ａ及び第２光吸収層７０２ｂはそれぞれＩｎＧａＡｓＰ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ａｒｓｅｎｉｄｅ Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ）を含む光吸収層であり得る。
【0137】
第１グレーディング層７０３ａ及び第２グレーディング層７０３ｂは、第１及び第２光吸収層７０２ａ、７０２ｂからのキャリアが第１及び第２増幅層７０７ａ、７０７ｂにうまく伝達されることができるように、光吸収層７０２ａ、７０２ｂのエネルギバンドギャップ（ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄ ｇａｐ）と電場調節層７０４ａ、７０４ｂのエネルギバンドギャップとの間のエネルギバンドギャップを有する物質で構成される。
【0138】
第１グレーディング層７０３ａは第１光吸収層７０２ａ上に位置し、第２グレーディング層７０３ｂは第２光吸収層７０２ｂ上に位置する。具体的に、第１グレーディング層７０３ａは第１光吸収層７０２ａと第１電場調節層７０４ａとの間に位置し、第２グレーディング層７０３ｂは第２光吸収層７０２ｂと第２電場調節層７０４ｂとの間に位置する。
【0139】
第１グレーディング層７０３ａは、ｙ軸に沿って垂直に積層された複数の層を含むことができる。
【0140】
第２グレーディング層７０３ｂは、ｙ軸に沿って垂直に積層された複数の層を含むことができる。
【0141】
第１グレーディング層７０３ａ及び第２グレーディング層７０３ｂはそれぞれ複数のＩｎＧａＡｓＰを含むグレーディング層であり得る。
【0142】
第１電場調節層７０４ａは第１増幅層７０７ａの電場を調節し、第２電場調節層７０４ｂは第２増幅層７０７ｂの電場を調節する。
【0143】
第１電場調節層７０４ａは第１グレーディング層７０３ａ上に位置し、第２電場調節層７０４ｂは第２グレーディング層７０３ｂ上に位置する。具体的に、第１電場調節層７０４ａは第１グレーディング層７０３ａと第１ウィンドウ層７０５ａとの間に位置し、第２電場調節層７０４ｂは第２グレーディング層７０３ｂと第２ウィンドウ層７０５ｂとの間に位置する。
【0144】
第１電場調節層７０４ａ及び第２電場調節層７０４ｂはそれぞれｎ型ＩｎＰを含む電場調節層であり得る。
【0145】
第１増幅層７０７ａ及び第２増幅層７０７ｂは、第１光吸収層７０２ａ及び第２光吸収層７０２ｂから伝達された電荷を増幅する。
【0146】
第１増幅層７０７ａは第１電場調節層７０４ａ上に位置し、第２増幅層７０７ｂは第２電場調節層７０４ｂ上に位置する。具体的に、第１増幅層７０７ａは第１電場調節層７０４ａと第１活性領域７０６ａとの間に位置し、第２増幅層７０７ｂは第２電場調節層７０４ｂと第２活性領域７０６ｂとの間に位置する。
【0147】
図７ａに示されているように、第２増幅層７０７ｂの厚さＴｍ２は第１増幅層７０７ａの厚さＴｍ１よりもさらに大きい。
【0148】
また、図７ｂに示されているように、平面的に第１増幅層７０７ａ及び第２増幅層７０７ｂはそれぞれ円状を有することができ、このとき、第２増幅層７０７ｂの直径ｄ２は第１増幅層７０７ａの直径ｄ１よりもさらに大きくてもよい。一方、第１増幅層７０７ａ及び第２増幅層７０７ｂは円状以外の他の形状を有してもよい。例えば、第１増幅層７０７ａ及び第２増幅層７０７ｂはそれぞれ楕円状を有してもよい。
【0149】
第１増幅層７０７ａの厚さは、第１活性領域７０６ａの拡散深さ、又はその第１活性領域７０６ａへのイオン注入の深さ制御、又はエピ層（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌａｙｅｒ）の厚さ制御を通して制御されることができる。
【0150】
第２増幅層７０７ｂの厚さは、第２活性領域７０６ｂの拡散深さ、又はその第２活性領域７０６ｂへのイオン注入の深さ制御、又はエピ層（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌａｙｅｒ）の厚さ制御を通して制御されることができる。
【0151】
第１活性領域７０６ａの拡散深さ及び第２活性領域７０６ｂの深さが異なれば、第１増幅層７０７ａの厚さと第２増幅層７０７ｂの厚さが変わる。例えば、第２活性領域７０６ｂの深さが第１活性領域７０６ａの深さよりも小さい場合、第２増幅層７０７ｂの厚さは第１増幅層７０７ａの厚さよりもさらに大きくなる。
【0152】
第１受光部ＡＰＤ１の第１静電容量性応答信号Ｃｐ１と第２受光部ＡＰＤ２の第２静電容量性応答信号Ｃｐ２との間の偏差を最小化するためには、第１電場調節層７０４ａと第１活性領域７０６ａとの間の間隔 （以下、第１間隔）と第２電場調節層７０４ｂと第２活性領域７０６ｂとの間の間隔（以下、第２間隔）がほぼ同一に維持されるのが望ましい。しかし、上述のように、第２増幅層７０７ｂの厚さＴｍ２が第１増幅層７０７ａの厚さＴｍ１よりもさらに大きい場合、第２間隔が第１間隔よりもさらに大きくなる。これにより、第２受光部ＡＰＤ２の静電容量が減って第１静電容量性応答信号Ｃｐ１と第２静電容量性応答信号Ｃｐ２との間の偏差が増加し得る。
【0153】
一方、第２増幅層７０７ｂの直径ｄ２が増加する場合、上述の第２受光部ＡＰＤ２の静電容量が増加し得る。したがって、第２増幅層７０７ｂの厚さＴｍ２の変化に合わせてその第２増幅層７０７ｂの直径ｄ２が増加すると、第２間隔が第１間隔よりもさらに大きいにもかかわらず、第２受光部ＡＰＤ２の静電容量と第１受光部ＡＰＤ１の静電容量が実質的に同一に維持されることができる。結局、第２増幅層７０７ｂの厚さＴｍ２及び直径ｄ２が第１増幅層７０７ａの厚さＴｍ１及び直径ｄ２よりもさらに大きい場合、第２静電容量性応答信号Ｃｐ２は第１静電容量性応答信号Ｃｐ１と実質的に同一の大きさを有することができる。
【0154】
第１増幅層７０７ａ及び第２増幅層７０７ｂはそれぞれｎ型ＩｎＰを含む増幅層であり得る。
【0155】
第１活性領域７０６ａは第１増幅層７０７ａ上に位置し、第２活性領域７０６ｂは第２増幅層７０７ｂ上に位置する。
【0156】
第１活性領域７０６ａ及び第２活性領域７０６ｂはそれぞれｐ型ＩｎＰを含む活性領域であり得る。
【0157】
第１ガードリング７０８ａは、第１活性領域７０６ａの外郭に電界が集中する電場のピークを減少させ、第２ガードリング７０８ｂは、第２活性領域７０６ｂの外郭に電界が集中する電場のピークを減少させる。
【0158】
第１ガードリング７０８ａは第１活性領域７０６ａを取り囲む。このために、第１ガードリング７０８ａは、第１活性領域７０６ａを取り囲む閉曲線又は環（ｒｉｎｇ）状を有することができる。
【0159】
第２ガードリング７０８ｂは、第２活性領域７０６ｂを取り囲む。このために、第２ガードリング７０８ｂは、第２活性領域７０６ｂを取り囲む閉曲線又は環状を有することができる。
【0160】
絶縁膜７１５は、第１ウィンドウ層７０５ａ、第２ウィンドウ層７０５ｂ及び素子分離溝７５０上に位置する。
【0161】
絶縁膜７１５は、第１活性領域７０６ａ、第２活性領域７０６ｂ、第１ウィンドウ層７０５ａ及び第２ウィンドウ層７０５ｂの一部を露出させるビアホールを有する。
【0162】
第１アノード電極７０９ａは、第１活性領域７０６ａを露出させるビアホールを介して第１活性領域７０６ａに連結され、第２アノード電極７０９ｂは、第２活性領域７０６ｂを露出させるビアホールを介して第２活性領域７０６ｂに連結される。
【0163】
第１カソード電極７１０ａは、第１ウィンドウ層７０５ａを露出させるビアホールを介して第１ウィンドウ層７０５ａに連結され、第２カソード電極７１０ｂは、第２ウィンドウ層７０５ｂを露出させるビアホールを介して第２ウィンドウ層７０５ｂに連結される。
【0164】
基板７００の互いに対向する２個の面１０、２０をそれぞれ第１面１０及び第２面２０と定義する。第１面１０及び第２面２０はｙ軸方向に互いに対向する。上述の第１導電層７０１ａ及び第２導電層７０１ｂはその基板の第１面１０上に位置する。そして、遮断膜８００はその基板７００の第２面２０上に位置する。このとき、遮断膜８００は、第１増幅層７０７ａに対応するように位置する透過孔８５０を有する。言い換えると、遮断膜８００は、第１領域ＡＡ１に対応するように位置する透過孔８５０を有する。
【0165】
遮断膜８００は第２増幅層７０７ｂに重畳する。基板７００の第２領域ＡＡ２は遮断膜８００と第２増幅層７０７ｂとの間に位置する。
【0166】
この遮断膜８００により、外部からの光又は光子は、第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２のうち第１受光部ＡＰＤ１にだけ入射されることができる。
【0167】
反射防止膜９００は透過孔８５０内に位置する。外部からの光又は光子は、透過孔８５０内の反射防止膜９００を通して第１受光部ＡＰＤ１に提供される。
【0168】
一方、本発明の受光部ＡＰＤは、第１アノード電極７０９ａと第１活性領域７０６ａとの間に位置するオーミックコンタクト層７３１ａ、第１カソード電極７１０ａと第１ウィンドウ層７０５ａとの間に位置するオーミックコンタクト層７３２ａ、第２アノード電極７０９ｂと第２活性領域７０６ｂとの間に位置するオーミックコンタクト層７３１ｂ及び第２カソード電極７１０ｂと第２ウィンドウ層７０５ｂとの間に位置するオーミックコンタクト層７３２ｂのうち少なくとも一つをさらに含むことができる。
【0169】
以上のような本発明の一実施例による光子検出装置は、次のような効果を提供する。
【0170】
第一として、第２受光部は、光又は光子が入射される第１受光部よりもさらに高い降伏電圧を有する。したがって、同一の大きさのゲート信号に対して、第１受光部はガイガーモードで動作する反面、第２受光部はガイガーモードで動作しない。すなわち、第２受光部はガイガーモードでの逆バイアス状態よりもさらに低い逆バイアス状態で動作されるため、第２受光部のアバランシェ増幅は小さい。したがって、第２受光部の暗計数発生確率は減少し、これにより第２受光部からのノイズパルスが減少し、結局、このノイズパルスに影響を受ける第１受光部の出力の信頼性が向上することができる。
【0171】
第二として、第２受光部のノイズパルスが減少するため、第１受光部及び第２受光部が一つの同一の基板上に製造されることができる。したがって、第１受光部の特性及び第２受光部の特性が実質的に同一に維持されることができる。すなわち、第１受光部と第２受光部との間の特性偏差が最小化されることができる。
【0172】
第三として、第２受光部のノイズパルスが減少することにより、第２受光部からさらに正確な大きさ及び形態の静電容量性応答信号が検出されることができる。
【0173】
第四として、第１受光部の静電容量性応答信号と第２受光部の静電容量性応答信号が実質的に同一の特性を有するため、小さなアバランシェ増幅によって発生したアバランシェ信号も正確に検出されることができる。
【0174】
第五として、第１受光部のアバランシェ増幅を小さくしてもデジタル信号の検出が可能であるため、アフターパルスノイズが減少することができる。
【0175】
図８は、本発明の一実施例による光子検出方法を示した図面である。
【0176】
本発明の一実施例による光子検出方法は、光子が受信され第１降伏電圧を有する第１受光部ＡＰＤ１からゲート信号の供給による第１信号を受信する段階（Ｓ１００）、上記第１降伏電圧よりも高い第２降伏電圧を有する第２受光部ＡＰＤ２から上記ゲート信号ＧＳの供給による第２信号を受信する段階（Ｓ１１０）；及び、上記第１信号と上記第２信号に基づいて光子を受信するか否かを判断する段階（Ｓ１２０）；を含む。
【0177】
ゲート信号ＧＳは、活性化期間では第１電圧に維持され、上記活性化期間を除いた残りの非活性化期間では上記第１電圧よりも低い第２電圧に維持されることができる。
【0178】
ゲート信号ＧＳはゲート信号発生部１０２から出力されることができる。例えば、ゲート信号発生部１０２はパルス状又は正弦波状のゲート信号ＧＳを出力することができる。
【0179】
ゲート信号発生部１０２から出力されたゲート信号ＧＳは、第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２に供給される。
【0180】
ゲート信号発生部１０２からのゲート信号ＧＳによって第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２のうち少なくとも一つはゲイティッドガイガーモード（ｇａｔｅｄ ｇｅｉｇｅｒ ｍｏｄｅ；以下、ガイガーモード）で動作する。
【0181】
第２受光部ＡＰＤ２の降伏電圧が第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧よりもさらに高い場合、同一の大きさのゲート信号ＧＳが第１受光部ＡＰＤ１及び第２受光部ＡＰＤ２に印加されるとき、第１受光部ＡＰＤ１だけが選択的にガイガーモードで動作されることができる。
【0182】
言い換えると、第２受光部ＡＰＤ２の降伏電圧が第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧よりもさらに高い場合、同一の大きさのゲート信号ＧＳに対して、第１受光部ＡＰＤ１はガイガーモードで動作する反面、第２受光部ＡＰＤ２はガイガーモードで動作しない場合がある。例えば、ゲート信号ＧＳの大きさが第１受光部ＡＰＤ１の降伏電圧よりは高く第２受光部ＡＰＤ２の降伏電圧よりは低い場合、第１受光部ＡＰＤ１はガイガーモードで動作する反面、第２受光部ＡＰＤ２はガイガーモードで動作しない場合がある。
【0183】
第１受光部ＡＰＤ１からの第１信号（すなわち、アバランシェ信号Ａｖ及び第１静電容量性応答信号Ｃｐ１）と第２受光部ＡＰＤ２からの第２信号（すなわち、第２静電容量性応答信号Ｃｐ２）に基づいて光子を受信するか否かを判断する。
【0184】
第１静電容量性応答信号Ｃｐ１と第２静電容量性応答信号Ｃｐ２が実質的に同一の大きさを有するため、第１信号Ｓ１と位相反転された第２信号Ｓ２とが合成されると、第１信号Ｓ１のアバランシェ信号Ａｖだけが検出される。
【0185】
すなわち、位相反転された第２信号Ｓ２の第２静電容量性応答信号Ｃｐ２は第１静電容量性応答信号Ｃｐ１と大きさは同じであるが極性は相異するため、同一の大きさ（絶対値基準で同一の大きさ）の第１静電容量性応答信号Ｃｐ１と第２静電容量性応答信号Ｃｐ２の和は実質的に０である。したがって、図４ｂに示されているように、第１信号Ｓ１と位相反転された第２信号Ｓ２との合成によって生成された信号（すなわち、差動部１０３の出力信号）はアバランシェ信号Ａｖである。
【0186】
以上で説明した本発明は、上述の実施例及び添付の図面に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であることが本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者にとって明白であろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4a】
【図4b】
【図5】
【図6】
【図7a】
【図7b】
【図8】
