特許 7343555 光検出装置

(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】2023-09-04

(45)【発行日】2023-09-12

(54)【発明の名称】光検出装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/107 20060101AFI20230905BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20230905BHJP

   G01J 1/42 20060101ALI20230905BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 B

H01L27/146 A

G01J1/42 H

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021128916

(22)【出願日】2021-08-05

(62)【分割の表示】P 2018053353の分割

【原出願日】2018-03-20

(65)【公開番号】P2021185606

(43)【公開日】2021-12-09

【審査請求日】2021-08-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【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】110004026

【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ

(72)【発明者】

【氏名】国分 弘一

(72)【発明者】

【氏名】松本 展

【審査官】原 俊文

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０４１７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４３２１６１１（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開昭５４－０４９０８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３１９５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０７６６７４００（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２０１４－２２５６４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－０７４３８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５１１８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００２／０１８５７００（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００６－１７９８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００９２８０１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００２／０１３９９７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０２７１１０８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３３９３９８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３１／００－３１／０３９２

Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１１９

Ｇ０１Ｊ １／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１導電形のシリコン層と、
前記シリコン層内に設けられ、第１導電形であり、不純物濃度が前記シリコン層のキャリア濃度よりも高い第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられ、第２導電形であり、前記第１半導体層とｐｎ境界を形成する第２半導体層と、
前記シリコン層内に設けられ、第１導電形であり、不純物濃度が前記シリコン層の不純物濃度よりも高く、前記第１半導体層から離隔した第３半導体層と、
前記シリコン層の下に設けられ、前記シリコン層に接続された第１電極と、
前記第２半導体層に接続された第２電極と、
を備え、
前記第３半導体層は、前記第１半導体層よりも前記ｐｎ境界の境界面に対して垂直な方向において下方に位置し、
前記ｐｎ境界の境界面に対して垂直な方向において平面視した場合に、前記第３半導体層は前記第１半導体層の中央部とは重ならず、
前記ｐｎ境界の境界面に対して垂直な方向において平面視した場合に、前記第３半導体層は前記第１半導体層の端部と重なり、
前記第３半導体層の不純物濃度は前記シリコン層の不純物濃度の１０倍以上であり、
前記第３半導体層は前記シリコン層を介して前記第１電極から離隔した光検出装置。

【請求項2】

前記第１電極は金属材料により形成されている請求項１に記載の光検出装置。

【請求項3】

前記第１電極の端子は前記第１電極の下面に接続されている請求項１または２に記載の光検出装置。

【請求項4】

前記第２電極は前記シリコン層上に配置され、導電性透明材料により形成されている請求項１～３のいずれか１つに記載の光検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、光検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、自動運転を実現する手段の１つとして、車載用ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging：光検出測距装置）が開発されている。車載用ＬＩＤＥＲは、赤外線レーザを発振するレーザ発振器、赤外線レーザを走査するスキャン光学系、目標物から反射した赤外線を検出する光検出装置、及び制御回路等によって構成されている。これにより、遠距離にある目標物の形状や距離を識別することができる。光検出装置として、ＳｉＰＭ（Silicon Photomultiplier：シリコン光電子増倍管）を用いることができる。しかしながら、シリコンは赤外線の吸収率が低いため、ＳｉＰＭにおいては、ＰＤＥ（Photon Detection Efficiency：光検出効率）の向上が望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許９，７８０，２４７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

実施形態の目的は、光検出効率が高い光検出装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態に係る光検出装置は、第１導電形のシリコン層と、前記シリコン層内に設けられ、第１導電形であり、不純物濃度が前記シリコン層のキャリア濃度よりも高い第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられ、第２導電形であり、前記第１半導体層とｐｎ境界を形成する第２半導体層と、前記シリコン層内に設けられ、第１導電形であり、不純物濃度が前記シリコン層の不純物濃度よりも高く、前記第１半導体層から離隔した第３半導体層と、前記シリコン層の下に設けられ、前記シリコン層に接続された第１電極と、前記第２半導体層に接続された第２電極と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１の実施形態に係る光検出装置を示す平面図である。

【図2】図１の領域Ａを示す平面図である。

【図3】図２に示すＢ－Ｂ’線による断面図である。

【図4】第１の実施形態に係る光検出装置を示す回路図である。

【図5】実施形態に係る光検出装置の動作を示す図である。

【図6】第１の実施形態に係る光検出装置の有効領域を示す図である。

【図7】横軸に周辺ｐ^＋形層の不純物濃度をとり、縦軸に光検出効率（ＲＤＥ）をとって、周辺ｐ^＋形層の不純物濃度が光検出効率に及ぼす影響を示すグラフ図である。

【図8】第１の実施形態の変形例に係る光検出装置を示す断面図である。

【図9】比較例に係る光検出装置を示す断面図である。

【図10】第２の実施形態に係る光検出装置を示す断面図である。

【図11】第３の実施形態に係る光検出装置を示す断面図である。

【図12】第４の実施形態に係る光検出装置を示す断面図である。

【図13】第５の実施形態に係る光検出装置を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る光検出装置を示す平面図である。
図２は、図１の領域Ａを示す平面図である。
図３は、図２に示すＢ－Ｂ’線による断面図である。
図４は、本実施形態に係る光検出装置を示す回路図である。
なお、各図は模式的なものであり、各構成要素は適宜簡略化又は省略されている。後述する図についても同様である。

【0008】

図１に示すように、本実施形態に係る光検出装置１においては、複数のＳｉＰＭ素子１１がマトリクス状に配列されている。光検出装置１においては、例えば、４８個のＳｉＰＭ素子１１が６行８列に配列されている。光検出装置１は、半導体プロセスによって形成されたものである。

【0009】

図２及び図３に示すように、光検出装置１においては、シリコン基板２０が設けられている。シリコン基板２０は、例えば、単結晶のシリコン（Ｓｉ）からなる。シリコン基板２０上には、シリコンからなるエピタキシャル層２１が設けられている。エピタキシャル層２１は、シリコン基板２０の上面を起点としてシリコンがエピタキシャル成長したものであり、導電形はｐ形である。

【0010】

エピタキシャル層２１上の一部には、例えば、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）膜、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）又はＤＴＩ（Deep Trench Isolation）３０が設けられている。以下、説明を簡潔にするために、総称して「ＬＯＣＯＳ膜３０」と記す。上方、すなわち、シリコン基板２０からエピタキシャル層２１に向かう方向から見て、ＬＯＣＯＳ膜３０の形状は格子状である。格子状のＬＯＣＯＳ膜３０によって区画された各領域に、各ＳｉＰＭ素子１１が形成されている。

【0011】

各ＳｉＰＭ素子１１において、エピタキシャル層２１の上層部分内には、ｐ^＋形層２２が設けられている。ｐ^＋形層２２の導電形はｐ形であり、そのキャリアとなる不純物の濃度（以下、単に「不純物濃度」ともいう）は、エピタキシャル層２１における不純物濃度よりも高い。ｐ^＋形層２２の不純物濃度は、例えば、４．５×１０^１６ｃｍ^－３以上である。

【0012】

ｐ^＋形層２２上には、ｎ^＋形層２３が設けられている。ｎ^＋形層２３の導電形はｎ形である。ｎ^＋形層２３はｐ^＋形層２２と接し、ｐｎ境界２４を形成している。ｎ^＋形層２３の不純物濃度は、例えば、１×１０^１８ｃｍ^－３以上である。ｐ^＋形層２２及びｎ^＋形層２３により、ダイオード２５が形成されている。上方から見て、ｎ^＋形層２３の外縁はｐ^＋形層２２の外縁の外側に位置している。ｐ^＋形層２２及びｎ^＋形層２３はＳｉＰＭ素子１１毎に設けられており、隣のＳｉＰＭ素子１１のｐ^＋形層２２及びｎ^＋形層２３からはＬＯＣＯＳ膜３０によって分離されている。

【0013】

そして、エピタキシャル層２１内におけるＬＯＣＯＳ膜３０の直下域を含む領域には、周辺ｐ^＋形層２６が設けられている。上方から見て、周辺ｐ^＋形層２６の形状は、ＬＯＣＯＳ膜３０と同一、又は、一回り太い格子状である。周辺ｐ^＋形層２６の導電形はｐ形であり、その不純物濃度はエピタキシャル層２１における不純物濃度よりも高い。例えば、周辺ｐ^＋形層２６における不純物濃度はエピタキシャル層２１の不純物濃度の１０倍以上である。例えば、エピタキシャル層２１における不純物濃度は１×１０^１３～１×１０^１６ｃｍ^－３であり、例えば、３×１０^１５ｃｍ^－３以下である。周辺ｐ^＋形層２６の不純物濃度は１×１０^１５ｃｍ^－３以上である。

【0014】

周辺ｐ^＋形層２６はｐ^＋形層２２よりも下方に配置されており、ｐ^＋形層２２から離隔している。周辺ｐ^＋形層２６とｐ^＋形層２２との間には、エピタキシャル層２１の部分２１ａが介在する。部分２１ａには周辺ｐ^＋形層２６及びｐ^＋形層２２から不純物が拡散しているため、部分２１ａの不純物濃度はエピタキシャル層２１の平均的な不純物濃度よりも高いが、周辺ｐ^＋形層２６の不純物濃度の半分よりは低い。また、上方から見て、周辺ｐ^＋形層２６はｐ^＋形層２２を囲んでいるが、周辺ｐ^＋形層２６の端部はｐ^＋形層２２の端部と重なっていてもよい。重なっている部分の幅は、例えば０～１μｍである。また、周辺ｐ^＋形層２６がｐ^＋形層２２を囲んでいる場合は、それらの間隔は、例えば０～１μｍである。

【0015】

シリコン基板２０の下面上には、電極膜３１が設けられている。電極膜３１は、例えば金属材料により形成されている。電極膜３１の上面はシリコン基板２０の下面と接している。このため、電極膜３１はシリコン基板２０を介してエピタキシャル層２１に接続されている。

【0016】

エピタキシャル層２１の上面上には、電極膜３２が設けられている。電極膜３２は、例えば、ＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide：スズドープ酸化インジウム）等の導電性透明材料により形成されている。電極膜３２の下面はエピタキシャル層２１の上面と接している。このため、電極膜３２はエピタキシャル層２１の最上層部分を介してｎ^＋形層２３に接続されている。電極膜３２は所定の形状にパターニングされている。また、ＬＯＣＯＳ膜３０上には、例えばポリシリコンからなる抵抗素子３３が設けられている。抵抗素子３３は電極膜３２に接続されている。

【0017】

これにより、図４に示すように、光検出装置１においては、電極膜３１と電極膜３２と間に、複数のＳｉＰＭ素子１１が並列に接続されている。各ＳｉＰＭ素子１１においては、ダイオード２５及び抵抗素子３３が直列に接続されている。

【0018】

次に、本実施形態に係る光検出装置の動作について説明する。
図５は、本実施形態に係る光検出装置の動作を示す図である。
図６は、本実施形態に係る光検出装置の有効領域を示す図である。
図７は、横軸に周辺ｐ^＋形層の不純物濃度をとり、縦軸に光検出効率（ＰＤＥ）をとって、周辺ｐ^＋形層の不純物濃度が光検出効率に及ぼす影響を示すグラフ図である。

【0019】

図５及び図６に示すように、電極膜３１と電極膜３２との間に、電極膜３１が負極となり、電極膜３２が正極となるような電圧を印加する。これにより、ｐｎ境界２４を起点として空乏層４０が上下に拡がる。空乏層４０は、ｎ^＋形層２３内及びエピタキシャル層２１内に到達する。これにより、空乏層４０を挟む寄生キャパシタが形成され、電荷が蓄積される。

【0020】

この状態で、図５の矢印４１で示すように、あるＳｉＰＭ素子１１に赤外線の光子ｐが入射する。これにより、矢印４２で示すように、エピタキシャル層２１内において、電子ｅ^－と正孔ｈ^＋の対が発生する。この対発生位置は、空乏層４０内である場合もあり、空乏層４０外である場合もある。空乏層４０内で発生した電子ｅ^－と正孔ｈ^＋の対のうち、電子ｅ^－は、矢印４３で示すように、電極膜３１と電極膜３２によって形成される電界により、電極膜３１に向かって進み、ｐｎ境界２４に到達する。一方、空乏層４０外で発生した電子ｅ^－と正孔ｈ^＋の対のうち、電子ｅ^－は、拡散により空乏層４０内まで移動し、その後は電界により移動し、ｐｎ境界２４に到達する。これにより、ｐｎ境界２４においてアバランシェ降伏が生じ、ダイオード２５が導通状態となり、矢印４４で示すように、寄生キャパシタに蓄積されていた電荷が電極膜３１と電極膜３２との間で導通する。電荷が流れることにより、抵抗素子３３において電圧降下が発生し、ダイオード２５が再び非導通状態に戻る。このとき流れた電流を検出することにより、光子ｐの入射を検出する。

【0021】

各ＳｉＰＭ素子１１は１個の光子ｐに反応してアバランシェ電流を流すため、１個の光子ｐを検出することができる。一旦、アバランシェ電流が流れたＳｉＰＭ素子１１は、基本的に再充電されるまで使用できなくなるが、周囲のＳｉＰＭ素子１１には影響を及ぼさない。光検出装置１には複数個、例えば、４８個のＳｉＰＭ素子１１が設けられているため、一度に複数個の光子を連続して検出することができる。

【0022】

なお、各ＳｉＰＭ素子１１は赤外線の入射角度を検出できないため、光検出装置１自体には空間分解能は無い。しかしながら、例えば、複数の光検出装置１を１列に配列させて、適当な光学系を設けることにより、１次元的な空間分解能を実現することができる。また、スキャン光学系（図示せず）によって赤外線レーザを走査することにより、２次元的な空間分解能を実現することができる。更に、赤外線レーザを発振してから検出するまでの時間差を計測することにより、３次元的な空間分解能を実現することができる。なお、複数の光検出装置１を２次元に配列させて２次元的な空間分解能を実現し、時間差を計測することにより、３次元的な空間分解能を実現することもできる。

【0023】

そして、図６に示すように、本実施形態に係る光検出装置１においては、周辺ｐ^＋形層２６が設けられているため、光子ｐを捕獲できる有効領域４５が大きい。有効領域４５とは、光子ｐがシリコン原子に衝突して電子ｅ^－と正孔ｈ^＋の対を発生させる位置であって、発生した電子ｅ^－がｐｎ境界２４に到達してアバランシェ崩壊を生じさせる位置の集合である。有効領域４５の外側で光子ｐが電子ｅ^－と正孔ｈ^＋の対を発生させても、発生した電子ｅ^－はｐｎ境界２４に到達せず、従って、アバランシェ崩壊も発生せず、この光子ｐは検出されない。このため、各ＳｉＰＭ素子１１において有効領域４５が大きいほど、ＰＤＥ（光検出効率）が高い。

【0024】

周辺ｐ^＋形層２６が設けられていることにより、有効領域４５が大きくなる理由としては、以下の理由が考えられる。
第１に、周辺ｐ^＋形層２６が電子ｅ^－に対して障壁となるため、電子ｅ^－は周辺ｐ^＋形層２６を迂回して流れることになり、アバランシェ崩壊が発生するｐｎ境界２４に到達しやすくなる。
第２に、周辺ｐ^＋形層２６が空乏層４０の伸張を抑えるため、ＬＯＣＯＳ膜３０の直下域、すなわち、ＳｉＰＭ素子１１の周辺部において空乏層４０が小さくなり、電子ｅ^－が空乏層４０を介してＳｉＰＭ素子１１の周辺部に抜ける確率が低減する。
第３に、エピタキシャル層２１と周辺ｐ^＋形層２６との正孔の濃度差に起因して、エピタキシャル層２１から周辺ｐ^＋形層２６に向かう電界が発生するため、ｐｎ境界２４を通過する電気力線が外側に拡がる。電子ｅ^－は電気力線に沿って流れるため、ｐｎ境界２４を通過する電気力線が外側に拡がると、ＳｉＰＭ素子１１の周辺部で発生した電子がｐｎ境界２４に到達しやすくなる。

【0025】

また、本実施形態においては、周辺ｐ^＋形層２６の不純物濃度をエピタキシャル層２１の不純物濃度の１０倍以上としているため、上述の効果を確実に得ることができる。
図７に示すように、シミュレーションの結果、エピタキシャル層２１の不純物濃度を１×１０^１４ｃｍ^－３としたとき、周辺ｐ^＋形層２６の不純物濃度が１×１０^１５ｃｍ^－３以上、すなわち、エピタキシャル層２１の不純物濃度の１０倍以上であると、光検出効率が顕著に向上した。

【0026】

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態によれば、ＳｉＰＭ素子１１の周辺部分において、エピタキシャル層２１内に周辺ｐ^＋形層２６を設けることにより、光子ｐを捕獲できる有効領域４５を拡大し、光検出効率を向上させることができる。特に、上方から見て、周辺ｐ^＋形層２６の端部がｐ^＋形層２２の端部と重なっている、あるいは周辺ｐ^＋形層２６の端部がｐ^＋形層２２の端部と近いことにより、電子を効率よくｐｎ境界２４に誘導することができる。この結果、各ＳｉＰＭ素子１１の光検出効率が高く、従って、全体の光検出効率が高い光検出装置を実現することができる。

【0027】

また、空乏層４０の延伸距離を短くし、光子ｐの一部を空乏層４０の外側においてシリコン原子に衝突させて、電子ｅ^－と正孔ｈ^＋の対を発生させる場合は、電子ｅ^－はエピタキシャル層２１内を拡散によって移動する。この場合は、周辺ｐ^＋形層２６によって電子の流れを変える効果がなだらかになり、制御が容易になる。

【0028】

（第１の実施形態の変形例）
次に、第１の実施形態の変形例について説明する。
図８は、本変形例に係る光検出装置を示す断面図である。

【0029】

図８に示すように、本実施形態に係る光検出装置１ａにおいては、周辺ｐ^＋形層２６が、ｐ^＋形層２２とほぼ同じ深さに位置している。周辺ｐ^＋形層２６はｐ^＋形層２２から離隔している。周辺ｐ^＋形層２６の不純物濃度は、エピタキシャル層２１の不純物濃度の１０倍以上である。

【0030】

本変形例によっても、前述の第１の実施形態（図６参照）と同様に、光子ｐを捕獲できる有効領域４５を拡大し、光検出効率を向上させることができる。
本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

【0031】

（比較例）
次に、比較例について説明する。
図９は、本比較例に係る光検出装置を示す断面図である。

【0032】

図９に示すように、本比較例に係る光検出装置１０１においては、周辺ｐ^＋形層２６（図３参照）が設けられていない。このため、有効領域４５が小さく、光検出効率が低い。これは、空乏層４０が、ＳｉＰＭ素子１１の中央部よりも周辺部において下方に伸張するため、あたかも電子がこの空乏層４０に引き寄せられるかのような流れが生じ、周辺に流れるためと考えられる。なお、図６及び図９に示す有効領域４５及び空乏層４０の形状は、シミュレーション結果をトレースしたものである。後述する図についても同様である。

【0033】

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
図１０は、本実施形態に係る光検出装置を示す断面図である。

【0034】

図１０に示すように、本実施形態に係る光検出装置２は、前述の第１の実施形態に係る光検出装置１（図３参照）と比較して、周辺ｐ^＋形層２６の替わりに周辺絶縁層２７が設けられている点が異なっている。周辺絶縁層２７は、例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯ）からなり、上方から見た形状は、ＬＯＣＯＳ膜３０と同一、又は、一回り太い格子状である。また、周辺絶縁層２７はＬＯＣＯＳ膜３０及びｐ^＋形層２２よりも下方に配置されており、ＬＯＣＯＳ膜３０及びｐ^＋形層２２から離隔している。

【0035】

本実施形態においても、周辺絶縁層２７が電子の移動を阻止すること、及び、空乏層４０（図５参照）の伸張を妨げることにより、有効領域４５を拡大することができる。この結果、光検出装置２は光検出効率が高い。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

【0036】

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図１１は、本実施形態に係る光検出装置を示す断面図である。

【0037】

図１１に示すように、本実施形態に係る光検出装置３においては、前述の第２の実施形態に係る光検出装置２（図１０参照）と比較して、ＬＯＣＯＳ膜３０及び周辺絶縁層２７の替わりに、周辺絶縁部材２８が設けられている点が異なっている。

【0038】

周辺絶縁部材２８は例えばシリコン酸化物により形成されている。上方から見て、周辺絶縁部材２８の形状は格子状であり、周辺絶縁部材２８によって囲まれた領域にＳｉＰＭ素子１１が形成されている。周辺絶縁部材２８はｐ^＋形層２２から離隔している。周辺絶縁部材２８におけるｐ^＋形層２２よりも下方に配置された部分の端部は、上方から見て、ｐ^＋形層２２の端部と重なっている。周辺絶縁部材２８の上面２８ａはエピタキシャル層２１の上面よりも上方に位置し、下面２８ｂはＳｉＰＭ素子１１の内側、すなわち、ｐ^＋形層２２の中央部の直下域に向かうにつれて高くなるように傾斜して迫り出している。

【0039】

本実施形態によれば、周辺絶縁部材２８の下面２８ｂがＳｉＰＭ素子１１の内側に向かうにつれて高くなるように傾斜していることにより、電子の流れをｐｎ境界２４に向かうように誘導することができる。これにより、有効領域４５がより拡大し、光検出効率がより向上する。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第２の実施形態と同様である。

【0040】

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。
図１２は、本実施形態に係る光検出装置を示す断面図である。

【0041】

図１２に示すように、本実施形態に係る光検出装置４は、前述の第１の実施形態に係る光検出装置１（図３参照）と比較して、周辺ｐ^＋形層２６の替わりに周辺導電層２９が設けられている点が異なっている。周辺導電層２９は導電性材料、例えば金属材料、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなり、上方から見た形状は、ＬＯＣＯＳ膜３０と同一、又は、一回り太い格子状である。また、周辺導電層２９はＬＯＣＯＳ膜３０及びｐ^＋形層２２よりも下方に配置されており、ＬＯＣＯＳ膜３０及びｐ^＋形層２２から離隔している。

【0042】

本実施形態においては、周辺導電層２９が電子の移動を阻止すること、及び、空乏層４０（図５参照）の伸張を妨げることに加えて、周辺導電層２９が電気力線を引き寄せることにより、有効領域４５を拡大することができる。この結果、光検出装置４の光検出効率を向上させることができる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

【0043】

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。
図１３は、本実施形態に係る光検出装置を示す断面図である。

【0044】

図１３に示すように、本実施形態に係る光検出装置５は、前述の第１の実施形態に係る光検出装置１（図３参照）と比較して、周辺ｐ^＋形層２６が設けられていない点、及び、上方から見てｐ^＋形層２２の中央部に穴２２ａが形成されている点が異なっている。穴２２ａは、ｐ^＋形層２２を上下方向に貫通している。穴２２ａ内には、エピタキシャル層２１の部分２１ｂが進入している。部分２１ｂにはｐ^＋形層２２から不純物が拡散しているため、部分２１ｂの不純物濃度はエピタキシャル層２１の平均的な不純物濃度よりは高いが、ｐ^＋形層２２の不純物濃度よりは低い。

【0045】

本実施形態においては、ｐ^＋形層２２の中央部に穴２２ａを形成することにより、ＳｉＰＭ素子１１の中央部において、空乏層４０を下方に大きく延伸させることができる。これにより、電子が空乏層４０を介してｐｎ境界２４に到達しやすくなる。この結果、光検出効率が向上する。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

【0046】

なお、ｐ^＋形層２２に穴２２ａを形成せず、ｐ^＋形層２２の中央部付近において、不純物濃度を少し低くするだけでも、上述の効果をある程度得ることができる。

【0047】

また、本実施形態は、上述の各実施形態と組み合わせて実施してもよい。例えば、ｐ^＋形層２２に穴２２ａを形成しつつ、第１の実施形態又はその変形例のように、周辺ｐ^＋形層２６（図３、図８参照）を設けてもよく、第２の実施形態のように、周辺絶縁層２７（図１０参照）を設けてもよく、第３の実施形態のように、周辺絶縁部材２８（図１１参照）を設けてもよく、第４の実施形態のように、周辺導電層２９（図１２参照）を設けてもよい。

【0048】

また、上述の各実施形態において、各部の導電形を逆にしてもよい。この場合は、正孔がアバランシェ崩壊を引き起こすキャリアとなる。但し、電子をキャリアとした方が、効率が高い。

【0049】

以上説明した実施形態によれば、光検出効率が高い光検出装置を実現することができる。

【0050】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の実施形態は、相互に組み合わせて実施することもできる。

【符号の説明】

【0051】

１、１ａ、２、３、４、５：光検出装置
１１：ＳｉＰＭ素子
２０：シリコン基板
２１：エピタキシャル層
２１ａ、２１ｂ：部分
２２：ｐ^＋形層
２２ａ：穴
２３：ｎ^＋形層
２４：ｐｎ境界
２５：ダイオード
２６：周辺ｐ^＋形層
２７：周辺絶縁層
２８：周辺絶縁部材
２８ａ：上面
２８ｂ：下面
２９：周辺導電層
３０：ＬＯＣＯＳ膜
３１、３２：電極膜
３３：抵抗素子
４０：空乏層
４５：有効領域
１０１：光検出装置
ｅ^－：電子
ｈ^＋：正孔
ｐ：光子

【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】