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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-11-16
(54)【発明の名称】モノリシックシリコン光電子増倍管アレイ
(51)【国際特許分類】
H01L 27/146 20060101AFI20221109BHJP
H01L 31/107 20060101ALI20221109BHJP
G01J 1/42 20060101ALI20221109BHJP
【ＦＩ】
H01L27/146 D
H01L31/10 B
G01J1/42 H
G01J1/42 G
H01L27/146 A
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022516377
(86)(22)【出願日】2020-09-18
(85)【翻訳文提出日】2022-05-09
(86)【国際出願番号】 US2020051370
(87)【国際公開番号】W WO2021055663
(87)【国際公開日】2021-03-25
(31)【優先権主張番号】16/577,035
(32)【優先日】2019-09-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】317015065
【氏名又は名称】ウェイモ エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100126480
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 睦
(72)【発明者】
【氏名】オナル，ケイナー
(72)【発明者】
【氏名】ドロズ，ピエール－イヴ
(72)【発明者】
【氏名】ダリア，ニラーヴ
【テーマコード（参考）】
2G065
4M118
5F849
【Ｆターム（参考）】
2G065AA04
2G065AB19
2G065BA09
2G065BA18
2G065BA34
2G065BB20
2G065BC28
2G065BC33
2G065BC35
4M118AA05
4M118AB01
4M118CA02
4M118CA20
4M118CB01
4M118CB02
4M118CB03
4M118FA06
4M118FA27
4M118FA28
4M118GA07
4M118GA09
4M118HA33
5F849AA07
5F849AB03
5F849AB07
5F849BB07
5F849CB14
5F849DA01
5F849EA04
5F849EA07
5F849HA10
5F849JA14
5F849LA01
5F849XB38
(57)【要約】
光学システムは、基板と、基板とモノリシックに統合された複数のシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）と、を含み得る。各ＳｉＰＭは、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含み得る。光学システムはまた、複数のアパーチャを有するアパーチャアレイを含む。複数のＳｉＰＭおよびアパーチャアレイは、複数の受信機チャネルを画定するように整列される。各受信機チャネルは、複数のアパーチャのそれぞれのアパーチャに光学的に結合された複数のＳｉＰＭのそれぞれのＳｉＰＭを含む。
【選択図】図２Ａ
【選択図】図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光学システムであって、基板と、
前記基板とモノリシックに統合された複数のシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）であって、各ＳｉＰＭが、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む、複数のＳｉＰＭと、
複数のアパーチャを含むアパーチャアレイであって、前記複数のＳｉＰＭおよび前記アパーチャアレイが、複数の受信機チャネルを画定するように整列され、各受信機チャネルが、前記複数のアパーチャのそれぞれのアパーチャに光学的に結合された前記複数のＳｉＰＭのそれぞれのＳｉＰＭを含む、アパーチャアレイと、を備える、光学システム。
【請求項2】
前記基板が、シリコンウェーハ、リン化インジウムウェーハ、またはガリウムヒ素ウェーハを含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項3】
前記複数のＳｉＰＭの各ＳｉＰＭが、少なくとも１０００個のＳＰＡＤを含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項4】
前記複数のＳｉＰＭが、六角形または正方形のアレイで前記基板に沿って配置されている、請求項１に記載の光学システム。
【請求項5】
前記複数のＳｉＰＭが、１ｍｍ２当たり約０．４ＳｉＰＭの密度で前記基板に沿って配置されている、請求項１に記載の光学システム。
【請求項6】
複数の導電体が、貫通基板ビア（ＴＳＶ）またはサイドルーティング構成のうちの少なくとも１つを介して前記複数のＳｉＰＭに結合されている、前記複数の導電体をさらに備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項7】
前記基板内に少なくとも１つの分離トレンチをさらに含み、前記少なくとも１つの分離トレンチが、隣接するＳｉＰＭの間に配置されている、請求項１に記載の光学システム。
【請求項8】
前記少なくとも１つの分離トレンチが、金属材料、光学的に不透明な材料、導電性材料、または非導電性材料のうちの少なくとも１つで少なくとも部分的に満たされている、請求項７に記載の光学システム。
【請求項9】
前記少なくとも１つの分離トレンチが、前記隣接するＳｉＰＭ間の電気的分離または光学的分離を提供する、請求項７に記載の光学システム。
【請求項10】
複数の光導波路であって、各光導波路が、前記複数のＳｉＰＭのそれぞれのＳｉＰＭに光を結合するように構成されている、複数の光導波路をさらに備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項11】
バッフル構造をさらに備え、前記バッフル構造が、光学的に不透明な材料に複数の開口を含み、各受信機チャネルが、前記バッフル構造のそれぞれの開口を介して前記複数のアパーチャのそれぞれのアパーチャに光学的に結合された前記複数のＳｉＰＭのそれぞれのＳｉＰＭを含むように、前記バッフル構造が、前記アパーチャアレイと前記複数のＳｉＰＭとの間に配置されている、請求項１に記載の光学システム。
【請求項12】
前記バッフル構造の断面が、前記バッフル構造の前記それぞれの開口によって分離された複数のひし形部材を含む、請求項１１に記載の光学システム。
【請求項13】
光学システムを製造する方法であって、基板とモノリシックに統合された複数のシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を含むモノリシックＳｉＰＭアレイを提供することであって、各ＳｉＰＭが、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含むことと、
複数のアパーチャを含むアパーチャアレイを、複数の受信機チャネルを画定するように、前記モノリシックＳｉＰＭアレイと整列させることであって、各受信機チャネルが、前記複数のアパーチャのそれぞれのアパーチャに光学的に結合された前記複数のＳｉＰＭのそれぞれのＳｉＰＭを含むことと、を含む、方法。
【請求項14】
前記モノリシックＳｉＰＭアレイ内の前記複数のＳｉＰＭが、六角形または正方形のアレイで配置されている、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記モノリシックＳｉＰＭアレイ内の前記複数のＳｉＰＭが、１ｍｍ２当たり約０．４ＳｉＰＭの密度で配置されている、請求項１３に記載の方法。
【請求項16】
前記モノリシックＳｉＰＭアレイが、前記基板内に少なくとも１つの分離トレンチをさらに含み、前記少なくとも１つの分離トレンチが、隣接するＳｉＰＭの間に配置されている、請求項１３に記載の方法。
【請求項17】
前記少なくとも１つの分離トレンチが、金属材料、光学的に不透明な材料、導電性材料、または非導電性材料のうちの少なくとも１つで少なくとも部分的に満たされている、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記少なくとも１つの分離トレンチが、前記隣接するＳｉＰＭ間の電気的分離を提供する、請求項１６に記載の方法。
【請求項19】
前記少なくとも１つの分離トレンチが、前記隣接するＳｉＰＭ間の光学的分離を提供する、請求項１６に記載の方法。
【請求項20】
前記モノリシックＳｉＰＭアレイと前記アパーチャアレイとの間の光学的に不透明な材料に複数の開口を含むバッフル構造を、各受信機チャネルが、前記バッフル構造のそれぞれの開口を介して前記複数のアパーチャのそれぞれのアパーチャに光学的に結合された前記複数のＳｉＰＭのそれぞれのＳｉＰＭを含むように、位置づけること、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年９月２０日に出願された米国特許出願第１６／５７７，０３５号の利益を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１９年９月２０日に出願された米国特許出願第１６／５７７，０３５号の利益を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
光学システム（例えば、ＬＩＤＡＲデバイス）は、共通のパッケージ内に配設される、光源、光学素子、および／または光検出器などの複数個の要素を含み得る。さらに、光学システムのいくつかの要素は、共通の基板に結合され得る。
【発明の概要】
【0003】
本開示は、概して、光学システム（例えば、ＬＩＤＡＲシステム）、およびそれらに関連する受信機サブシステムの特定の態様に関する。
【0004】
第１の態様では、光学システムが提供される。光学システムは、基板と、基板とモノリシックに統合された複数のシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）とを含む。各ＳｉＰＭは、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む。光学システムはまた、複数のアパーチャを有するアパーチャアレイを含む。複数のＳｉＰＭおよびアパーチャアレイは、複数の受信機チャネルを画定するように整列される。各受信機チャネルは、複数のアパーチャのそれぞれのアパーチャに光学的に結合された複数のＳｉＰＭのそれぞれのＳｉＰＭを含む。
【0005】
第２の態様では、光学システムを製造する方法が提供される。この方法は、基板とモノリシックに統合された複数のシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を有するモノリシックＳｉＰＭアレイを提供することを含む。各ＳｉＰＭは、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む。この方法は、複数の受信機チャネルを画定するように、複数のアパーチャを有するアパーチャアレイをモノリシックＳｉＰＭアレイと整列させることをさらに含む。各受信機チャネルは、複数のアパーチャのそれぞれのアパーチャに光学的に結合された複数のＳｉＰＭのそれぞれのＳｉＰＭを含む。
【0006】
他の態様、実施形態、および実装形態は、当業者には、以下の詳細な説明を添付の図面を適宜参照して読み取ることにより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】例示的な実施形態による、光学システムの概略的ブロック表示を例示する図である。
【図2A】例示的な実施形態による、光学システムの断面図を例示する図である。
【図2B】例示的な実施形態による、光学システムの断面図を例示する図である。
【図2C】例示的な実施形態による、光学システムの上面図を例示する図である。
【図3A】例示的な実施形態による、製造方法の１ステップを例示する図である。
【図3B】例示的な実施形態による、製造方法の１ステップを例示する図である。
【図3C】例示的な実施形態による、製造方法の１ステップを例示する図である。
【図3D】例示的な実施形態による、製造方法の１ステップを例示する図である。
【図4】例示的な実施形態による、方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【0008】
方法、デバイス、およびシステムの例が本明細書において説明される。「例」および「例示的」という語は、本明細書においては、「例、事例、または例示としての役割を果たす」ことを意味するために使用されることを理解されたい。本明細書において「例」または「例示的」であるとして説明されるいずれの実施形態または特徴も、他の実施形態または特徴よりも好ましい、または有利であると必ずしも解釈されるべきではない。本明細書において提示される主題の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、他の変更を行うことができる。
【0009】
このように、本明細書において説明される実施形態例は、限定を意味するものではない。本明細書において概略説明され、図に例示される本開示の態様は、多種多様な異なる構成で配置する、置き換える、組み合わせる、分離する、および設計することができ、これらの構成のすべてが本明細において考えられる。
【0010】
さらに、文脈上、そうではないことを示していない限り、これらの図の各図に示されている特徴は、互いに組み合わせて使用することができる。このように、図は、大抵、例示されるすべての特徴が実施形態ごとに必要であるわけではないという理解の下に、１つ以上の実施形態全体の構成要素側面として考えられるべきである。
【0011】
Ｉ．概要
光学システム（例えば、ＬＩＤＡＲデバイス）は、複数の受信機チャネルを含むことができる。シナリオ例では、各受信機チャネルは、ディスクリートシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）上に位置合わせされたピンホールを含む。ピンホールは、周囲光の検出を低減させることができる。各ＳｉＰＭは、互いに電気的に接続された（例えば、並列に接続された）複数の（例えば、２０００を超える）単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む。ＳＰＡＤは、ガイガーモードで動作するように設計された単一光子感応デバイスである。いくつかの実施形態では、光学システムは、２００を超える受信機チャネル（各々１００を超える受信機チャネルの２つのグループに配置される）を含むことができる。このような場合、複数の受信機チャネルの製造は、２００を超える個別のＳｉＰＭを１つ以上のプリント回路基板（ＰＣＢ）に取り付けることを含み得る。
光学システム（例えば、ＬＩＤＡＲデバイス）は、複数の受信機チャネルを含むことができる。シナリオ例では、各受信機チャネルは、ディスクリートシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）上に位置合わせされたピンホールを含む。ピンホールは、周囲光の検出を低減させることができる。各ＳｉＰＭは、互いに電気的に接続された（例えば、並列に接続された）複数の（例えば、２０００を超える）単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む。ＳＰＡＤは、ガイガーモードで動作するように設計された単一光子感応デバイスである。いくつかの実施形態では、光学システムは、２００を超える受信機チャネル（各々１００を超える受信機チャネルの２つのグループに配置される）を含むことができる。このような場合、複数の受信機チャネルの製造は、２００を超える個別のＳｉＰＭを１つ以上のプリント回路基板（ＰＣＢ）に取り付けることを含み得る。
【0012】
光学システムの製造は、単一の基板（例えば、シリコンウェーハ）上に複数のＳｉＰＭが形成されるモノリシックＳｉＰＭアレイを提供することによって改善することができる。基板上の各ＳｉＰＭは、使用されているのと同じ数（例えば、ＳｉＰＭ当たり２０００を超える）の電気的に接続されたＳＰＡＤを含む円形の領域を埋めることができる。このようなシナリオでは、円形のＳｉＰＭが１ｍｍ２当たり０．２～０．６ＳｉＰＭの密度（例えば、１ｍｍ２当たり約０．４ＳｉＰＭ）の六角形または正方形のアレイで配置されている場合、約２００ＳｉＰＭを直径１インチのシリコンウェーハに適合させることが可能となり得る。このようにして、それぞれのモノリシックＳｉＰＭアレイを備えた４つのシリコン基板を利用して、現在の光学システム設計で使用されているものと同等の数のＳｉＰＭを提供することができる。
【0013】
複数のＳｉＰＭが同じ基板上にモノリシックに統合されている場合、ＳｉＰＭ間の電気的および／または光学的分離を提供する構造を含むことが望ましい（例えば、隣接するＳｉＰＭ間のクロストークを低減するため）。１つのアプローチでは、各ＳｉＰＭは、金属または別の光学的に不透明な、導電性の、および／または非導電性の材料で満たされた基板内の深いトレンチによって囲まれ得る。満たされたトレンチは、ＳｉＰＭからの光生成電子が隣接するＳｉＰＭに到達するのをブロックすることができ（電気的分離）、ＳｉＰＭからの光子が隣接するＳｉＰＭに到達するのをブロックする（光学的分離）こともできる。追加の光学的分離を提供するために、バッフル構造をモノリシックＳｉＰＭアレイとそれに対応するピンホールアレイとの間に位置づけることができる。１つのアプローチでは、バッフル構造は、不透明な材料（例えば、金属またはプラスチック）にドリル加工または他の方法で形成された穴のアレイを含むことができ、各穴は、ピンホールとモノリシックＳｉＰＭアレイ内の対応するＳｉＰＭとの間の光路を画定する。さらに、各穴は、ＳｉＰＭの直径と一致する直径を有することができる。バッフル構造は、穴のアレイがＳｉＰＭのアレイと整列した状態でモノリシックＳｉＰＭアレイに取り付けることができ、ピンホールアレイは、ピンホールが穴の中心にくるようにバッフル構造に取り付けることができる。この構成では、各ピンホールを介して受け取った光は、バッフル構造の対応する穴を介して対応するＳｉＰＭに到達できるが、不透明な材料によって隣接するＳｉＰＭに到達するのをブロックされる。
【0014】
モノリシックアレイの電気接点は、様々な方法で提供することができる。１つのアプローチでは、電気接点を基板の裏側に設けることができる。代替的に、電気接点を側面から提供するか、および／または基板の上面に沿ってルーティングすることができる。
【0015】
他の態様、実施形態、および実施態様は、添付図面を適宜参照して、以下の詳細な説明を読み取ることによって、当業者には明らかになるであろう。
【0016】
ＩＩ．例示的なシステム
図１は、例示的な実施形態による、光学システム１００の概略的ブロック表示を例示する。場合によっては、光学システム１００は、ＬＩＤＡＲシステムの受信機サブシステムなどのＬＩＤＡＲシステムの一部として利用することができる。ＬＩＤＡＲシステムは、車両に結合され、車両が自律もしくは半自律モードにあるとき、または車両が完全自律車両であるときなど、車両の動作に使用され得る。車両は、例えば、自動車、トラック、トラクタートレーラー、ブルドーザーなどの建設機械、自律型ドローン航空機、または歩道配達ロボットなどのロボットであり得る。このようなＬＩＤＡＲシステムは、所与の環境内の１つ以上のオブジェクト（例えば、場所、形状など）に関する情報（例えば、点群データ）を提供するように構成することができる。例示的な実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、点群情報、対象情報、地図情報、または他の情報を車両に提供することができる。本明細書では、他のタイプの車両およびＬＩＤＡＲシステムが想定されている。
図１は、例示的な実施形態による、光学システム１００の概略的ブロック表示を例示する。場合によっては、光学システム１００は、ＬＩＤＡＲシステムの受信機サブシステムなどのＬＩＤＡＲシステムの一部として利用することができる。ＬＩＤＡＲシステムは、車両に結合され、車両が自律もしくは半自律モードにあるとき、または車両が完全自律車両であるときなど、車両の動作に使用され得る。車両は、例えば、自動車、トラック、トラクタートレーラー、ブルドーザーなどの建設機械、自律型ドローン航空機、または歩道配達ロボットなどのロボットであり得る。このようなＬＩＤＡＲシステムは、所与の環境内の１つ以上のオブジェクト（例えば、場所、形状など）に関する情報（例えば、点群データ）を提供するように構成することができる。例示的な実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、点群情報、対象情報、地図情報、または他の情報を車両に提供することができる。本明細書では、他のタイプの車両およびＬＩＤＡＲシステムが想定されている。
【0017】
光学システム１００は、第１の表面１１２および第２の表面１１４を含む基板１１０を含む。
【0018】
いくつかの例では、基板１１０は、約２００ミクロンの厚さとすることができる。例えば、基板１１０は、１００ミクロン～５００ミクロンの厚さを有することができる。しかしながら、他の厚さも可能であり、企図される。いくつかの実施形態では、基板１１０は、シリコン基板（例えば、シリコンウェーハ）、リン化インジウム基板（例えば、リン化インジウムウェーハ）、ガリウムヒ素基板（例えば、ＧａＡｓウェーハ）などの半導体基板材料を含むことができる。例示的な実施形態では、基板１１０は、シリコンゲルマニウムオンシリコン基板を含むことができる。いくつかの実施形態では、基板１１０は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）材料を含むことができる。代替的に、基板１１０は、様々な他の堅固なおよび／または可撓性の材料から形成することができ、それらの各々が本開示で企図される。
【0019】
光学システム１００は、基板１１０とモノリシックに統合された複数のシリコン光電子増倍器（ＳｉＰＭ）デバイス１２０を含む。ＳｉＰＭデバイス１２０の各々は、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）１２２を構成し得る。例えば、複数のＳｉＰＭ１２０の各ＳｉＰＭは、少なくとも１０００個のＳＰＡＤ１２２を含むことができる。多かれ少なかれＳＰＡＤ１２２は、複数のＳｉＰＭ１２０の各ＳｉＰＭに関連付けられ得ることが理解されよう。
【0020】
いくつかの実施形態では、複数のＳｉＰＭ１２０は、六角形または正方形のアレイで基板に沿って配置することができる。すなわち、複数のＳｉＰＭ１２０の各ＳｉＰＭは、六角形、三角形、または正方形の格子のそれぞれの格子点に配置することができる。複数のＳｉＰＭ１２０内のそれぞれのＳｉＰＭの他の最密充填配置が可能であり、企図される。いくつかの実施形態では、複数のＳｉＰＭのＳｉＰＭは、１ｍｍ２当たり０．２～０．６ＳｉＰＭ（例えば、１ｍｍ２当たり約０．４ＳｉＰＭ）の密度で基板に沿って配置される。１ｍｍ２当たりより高いまたはより低いＳｉＰＭの密度が企図され、可能であることが理解されるであろう。本開示のいくつかの実施形態に関連してＳｉＰＭが説明されているが、他のタイプの感光性検出器デバイスが可能である。
【0021】
光学システム１００は、複数のアパーチャ１３２を含むアパーチャアレイ１３０をさらに含む。複数のＳｉＰＭデバイス１２０およびアパーチャアレイ１３０は、複数の受信機チャネル１４０を画定するように整列される。そのようなシナリオでは、各受信機チャネル１４０は、複数のアパーチャ１３２のそれぞれのアパーチャに光学的に結合された複数のＳｉＰＭデバイス１２０のそれぞれのＳｉＰＭを含む。
【0022】
いくつかの実施形態では、光学システム１００は、複数の導電体１５０を含む。例えば、複数の導電体は、貫通基板ビア（ＴＳＶ）またはサイドルーティング構成のうちの少なくとも１つを介して複数のＳｉＰＭ１２０に結合され得る。導電体１５０をルーティングする他の方法が企図され、可能である。例えば、複数の導電体１５０は、トップレベルのワイヤボンド接続を介して他の回路に接続することができる。追加的または代替的に、導電体１５０は、ＳｉＰＭデバイス１２０間の空間に沿って（例えば、ＳｉＰＭデバイス間の「ストリート」に）ルーティングすることができる。
【0023】
さらに、光学システム１００は、分離トレンチ１１６を含む。分離トレンチ１１６は、基板１１０内に位置することができる。いくつかの実施形態では、分離トレンチ１１６は、複数のＳｉＰＭデバイス１２０の隣接するＳｉＰＭの間に配置することができる。分離トレンチ１１６のうちの少なくとも１つは、充填材料１１８で少なくとも部分的に満たされ得る。例えば、少なくとも１つの隔離トレンチ１１６は、金属材料、光学的に不透明な材料、導電性材料、または非導電性材料のうちの少なくとも１つで少なくとも部分的に満たすことができる。そのようなシナリオでは、少なくとも１つの分離トレンチ１１６は、複数のＳｉＰＭデバイス１２０の隣接するＳｉＰＭ間の電気的分離を提供する。
【0024】
追加的または代替的に、いくつかの実施形態では、少なくとも１つの分離トレンチ１１は、複数のＳｉＰＭデバイス１２０の隣接するＳｉＰＭ間の光学的分離を提供することができる。
【0025】
いくつかの実施形態では、光学システム１００は、バッフル構造１６０を含む。バッフル構造１６０は、光学的に不透明な材料に複数の開口１６２を含む。そのようなシナリオでは、バッフル構造１６０は、アパーチャアレイ１３０と複数のＳｉＰＭ１２０との間に配置され、各受信機チャネル１４０は、バッフル構造１６０のそれぞれの開口を介して複数のアパーチャ１３２のそれぞれのアパーチャに光学的に結合された複数のＳｉＰＭ１２０のそれぞれのＳｉＰＭを含む。
【0026】
いくつかの実施形態では、バッフル構造１６０の断面は、バッフル構造１６０のそれぞれの開口によって分離された複数のひし形状の部材を含むことができる。
【0027】
図２Ａは、例示的な実施形態による、光学システム２００の断面図を例示する。図２Ａは、図１を参照して例示および説明された光学システム１００のものと類似または同一の要素を含むことができる。図２Ａは、光学システム２００の要素の一般的な配置を説明することを意図しており、必ずしもそのような要素の正確なスケールまたは比率を示すことを意味するものではない。
【0028】
いくつかの実施形態では、光学システム２００は、第１の表面１１２および第２の表面１１４を有する基板１１０を含むことができる。図示のように、第１の表面１１２は、第２の表面１１４の反対側に配置することができる。他の場所で説明されているように、基板１１０は、半導体基板（例えば、半導体ウェーハ）を含むことができる。例えば、第１の表面１１２は、シリコンウェーハの頂面を含むことができ、第２の表面１１４は、シリコンウェーハの底面を含むことができる。
【0029】
図２Ａに示されるように、光学システム２００は、基板１１０とモノリシックに統合された複数のシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）デバイス１２０（例えば、ＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄ）を含むことができる。すなわち、ＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄは、少なくとも部分的に、基板１１０内に形成することができる。例えば、ＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄは、各々複数のＳＰＡＤを含めることができる。ＳＰＡＤは、接合部の降伏電圧ＶＢよりも高い電圧Ｖａで逆バイアスされたときに動作するように設計されたｐｎ接合を含む半導体デバイスである。例えば、Ｖａは、３ｘ１０５Ｖ／ｃｍを超える電界を提供するために、厚さが約１～５ミクロンとすることができるｐｎ接合に印加することができる。他の電界が可能であり、企図される。
【0030】
いくつかの実施形態では、ＳＰＡＤ１２２は、赤外光（例えば、９０５ｎｍまたは１５５０ｎｍ）を検出するように構成することができる。ただし、他の波長の光も検出することもできる。
【0031】
ＳＰＡＤ１２２は、単一光子の吸収に応答してミリアンペア以上の光電流を提供するように構成することおよび／またはバイアスをかけることができる。他の構成および／または光電流が可能であり、企図される。
【0032】
いくつかの実施形態では、ＳＰＡＤは、アクティブまたはパッシブクエンチング回路を含むことができる。例えば、パッシブクエンチング回路は、ＳＰＡＤと直列に結合された抵抗を含むことができる。追加的または代替的に、アクティブクエンチング回路は、高速弁別器回路または同期バイアス電圧低減回路を含むことができる。
【0033】
いくつかの実施形態では、複数のＳｉＰＭ１２０の各ＳｉＰＭは、少なくとも１０００個のＳＰＡＤ１２２を含むことができる。多かれ少なかれＳＰＡＤ１２２は、複数のＳｉＰＭ１２０の各ＳｉＰＭに関連付けられ得ることが理解されよう。
【0034】
いくつかの実施形態では、ＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄは、それぞれの複数の分離トレンチ１１６によって分離することができる。分離トレンチ１１６は、リソグラフィで画定されたウェットまたはドライエッチングプロセスを利用することによって形成することができる。分離トレンチ１１６を形成する他の半導体製造技法が可能であり、企図される。分離トレンチ１１６のいくつかまたはすべては、少なくとも部分的に、充填材料１１８によって満たすことができる。
【0035】
図２Ａに示されるように、導電体１５０は、第１の表面１１２に沿って（例えば、それぞれのＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄの周辺に沿って）位置することができる。追加的または代替的に、導電体１５０を第２の表面１１４に結合することができる。それぞれのＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄを検出回路に電気的に結合するように、導電体１５０を他の位置に位置することができることが理解されよう。それぞれのＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄに物理的におよび／または電気的に接続する、従来の半田ボール、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）、ランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）、導電性ペースト、ならびに他のタイプの物理ソケットおよび電気ソケットなどの、これらに限定されないが、他の方式が可能であり、企図される。
【0036】
いくつかの実施形態では、バッフル構造１６０のひし形の部材は、受信機チャネル１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、および１４０ｄを互いに光学的に分離するように配置することができる。例えば、バッフル構造１６０は、それぞれの受信機チャネル間に不透明なバリアを提供することができる。バッフル構造１６０のひし形の部分は、充填材料１１８とアパーチャアレイ１３０との間で物理的に結合することができる。バッフル構造１６０のひし形部分の間で、光は、それぞれの開口１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、および１６２ｄを経由して、それぞれのＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄに向けられ得る。
【0037】
例示的な実施形態では、アパーチャアレイ１３０は、各々が１２０～１６０ミクロンの開放直径を有することができるアパーチャ１３２ａ～１３２ｄを含むことができる。しかしながら、他のアパーチャ直径が可能であり、企図される。複数のアパーチャ１３２ａ～１３２ｄは、光に対して実質的に不透過性である材料を通してドリル加工されたまたはリソグラフィによりエッチングされた、穴を含むことができる。他の実施形態では、複数のアパーチャ１３２ａ～１３２ｄは、光に対して実質的に透過性である光学窓を含むことができる。
【0038】
追加的または代替的に、隣接するＳｉＰＭを光学的に分離するための他の方法が企図され、可能である。例えば、反射グリッドをＳｉＰＭの頂面に沿ってパターン化することができる。反射グリッドは、金属または別の光学的に不透明な材料から形成することができる。反射グリッドは、バッフル構造１６０および／またはアパーチャアレイ１３０と整列するように画定することができる。そのようなシナリオでは、隣接するＳｉＰＭデバイス間に落ちる光はシリコン基板に入射しない。そのような光分離は、所与のＳｉＰＭアレイの曲線因子をわずかに減少させるという潜在的な犠牲を払って、チャネル間クロストークを減少させる可能性がある。
【0039】
さらに、いくつかの実施形態では、アパーチャアレイ１３０およびバッフル構造１６０は、アパーチャ／バッフル構造の組み合わせによって置き換えることができる。そのような組み合わせ構造は、ＳｉＰＭデバイスの場所に対応するようにドリル加工またはエッチングされた、深い穴のある厚い不透明なプレートが含むことができる。
【0040】
アパーチャアレイ１３０およびバッフル構造１６０の代わりに、またはそれらと組み合わせて、いくつかの実施形態は、光ガイドとして機能し、全反射を使用して光をＳｉＰＭデバイスに結合し得る一組の垂直の光学的に透明なピラー（例えば、光導波路）を含むことができる。図２Ｂは、例示的な実施形態による、光学システム２２０の断面図を例示する。図２Ｂに示されるように、光学システム２２０は、光をそれぞれのＳｉＰＭデバイス１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄに向けて案内するように構成され得る光導波路２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、および２２２ｄを含むことができる。図示のように、光導波路２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、および２２２ｄは、テーパー形状を有することができる。他の例では、光導波路２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、および２２２ｄは、真っ直ぐな側壁を有するか、および／または別の形状をとることができる。いくつかのシナリオでは、「アクティブ分離領域」は、それぞれのＳｉＰＭデバイス１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄ上に誘電体スタック２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、および２２４ｄを成長させることによって画定することができる。誘電体スタック２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、および２２４ｄは、光導波路２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、および２２２ｄからの光をそれぞれのＳｉＰＭデバイス１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄに結合するように構成することができる。いくつかの実施形態では、ＳｉＰＭデバイス１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄ間のさらなる光学的分離は、ＳｉＰＭデバイス間の誘電体スタックをエッチングし、次いでトレンチをオルガノシロキサンベースの平坦化材料２２６（例えば、Ｓｉｌｅｃｓ ＸＣ４００Ｌなど）で満たすことによって達成することができる。いくつかの実施形態では、平坦化材料２２６は、光導波路２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ、および２２２ｄ、および／または誘電体スタック２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ、および２２４ｄに対して高い屈折率を有することができる。
【0041】
図２Ｃは、例示的な実施形態による、光学システム２００の上面図２５０を例示する。図２Ｃに示されるように、複数のＳｉＰＭデバイス１２０は、基板１１０の表面に沿って六角形のアレイで配置することができる。さらに、複数のＳｉＰＭデバイス１２０のＳｉＰＭデバイスは、１つ以上の分離トレンチ１１６を介して互いに電気的および／または光学的に分離することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるように、分離トレンチ１１６は、充填材料で満たすことができる。
【0042】
ＳｉＰＭデバイスを互いに電気的および／または光学的に分離するために様々な方法を利用できることが理解されよう。例えば、図２Ｃは正六角形のアレイを例示するが、それぞれの受信機チャネル間で可変の間隔および／または可変の分離深さを利用することができる。例えば、図２Ａを参照すると、受信機チャネル１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、および１４０ｄは、いくつかの受信機チャネル間に第１の深さ（例えば、１ミクロン）を有し、他のチャネル間に第２の深さ（例えば、２ミクロン）を有するトレンチによって分離することができる。さらに、一部の受信機チャネルは、他の受信機チャネルよりもいくつかの隣接する受信機チャネルからさらに離間することができる。
【0043】
ＩＩＩ．例示的方法
図３Ａ～図３Ｄは、１つ以上の例示的な実施形態による、製造方法の様々なステップを例示する。様々なステップのうちの少なくともいくつかは、本明細書において提示される順序とは異なる順序で実行されてもよいことが理解されよう。さらに、ステップは、追加、除外、入れ替え、および／または反復が行われてもよい。図３Ａ～図３Ｄは、図４に関連して例示および説明されるような方法４００に関連して説明されるステップまたはブロックのうちの少なくともいくつかに対する例示的な図示としての役割を果たし得る。さらに、図３Ａ～図３Ｄのいくつかのステップは、それぞれ図１、図２Ａおよび図２Ｂを参照して図示および説明されたような、光学システム１００および／または光学システム２００もしくは２２０を提供するように実行され得る。
図３Ａ～図３Ｄは、１つ以上の例示的な実施形態による、製造方法の様々なステップを例示する。様々なステップのうちの少なくともいくつかは、本明細書において提示される順序とは異なる順序で実行されてもよいことが理解されよう。さらに、ステップは、追加、除外、入れ替え、および／または反復が行われてもよい。図３Ａ～図３Ｄは、図４に関連して例示および説明されるような方法４００に関連して説明されるステップまたはブロックのうちの少なくともいくつかに対する例示的な図示としての役割を果たし得る。さらに、図３Ａ～図３Ｄのいくつかのステップは、それぞれ図１、図２Ａおよび図２Ｂを参照して図示および説明されたような、光学システム１００および／または光学システム２００もしくは２２０を提供するように実行され得る。
【0044】
図３Ａは、例示的な実施形態による、製造方法の１ステップ３００を例示する。ステップ３００は、最初に、基板１１０を提供することを含む。基板１１０は、第１の表面１１２および第２の表面１１４を含み得る。基板１１０は、シリコンまたはシリコンオンインシュレータ基板などの半導体材料を含むことができる。
【0045】
ステップ３００は、その後、複数のＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄを形成することを含むことができる。いくつかの実施形態では、複数のＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄを形成することは、第１の表面１１２にｐｎ接合を形成することを含むことができる。すなわち、ＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄは、基板１１０とモノリシックに統合することができる。各ＳｉＰＭは、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む。いくつかの実施形態では、モノリシックＳｉＰＭアレイ内の複数のＳｉＰＭは、六角形または正方形のアレイで配置することができる。そのようなシナリオでは、モノリシックＳｉＰＭアレイ内の複数のＳｉＰＭを、１ｍｍ２当たり約０．４ＳｉＰＭの密度で配置することができる。
【0046】
ステップ３００は、基板１１０の第１の表面１１２に複数の分離トレンチ１１６を形成することをさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、複数の分離トレンチ１１６を形成することは、ウェットまたはドライエッチングプロセスを用いて第１の表面１１２にエッチングすることを含むことができる。追加的または代替的に、分離トレンチ１１６は、研削、研磨、または別の機械的方法によって形成することができる。いくつかの実施形態では、分離トレンチ１１６は、隣接するＳｉＰＭの間に配置することができる。
【0047】
ステップ３００は、分離トレンチ１１６の少なくとも一部を充填材料１１８で満たすことをさらに含むことができる。隔離トレンチ１１６は、金属材料、光学的に不透明な材料、導電性材料、または非導電性材料のうちの少なくとも１つで少なくとも部分的に満たすことができる。一例として、充填材料１１８は、化学蒸着プロセスまたは酸化プロセスを使用して堆積させることができる。少なくとも１つの分離トレンチは、隣接するＳｉＰＭ間の電気的分離を提供することができる。追加的または代替的に、少なくとも１つの分離トレンチは、隣接するＳｉＰＭ間の光学的分離を提供することができる。
【0048】
図３Ｂは、例示的な実施形態による、製造方法の１ステップ３１０を例示する。ステップ３１０は、基板１１０の第１の表面１１２および／または第２の表面１１４上に１つ以上の導電体１５０を形成することを含む。導電体１５０は、ＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄとそれぞれの検出回路との間の電気的結合を提供することができる。
【0049】
図３Ｃは、例示的な実施形態による、製造方法の１ステップ３２０を例示する。ステップ３２０は、光学的に不透明な材料内に複数の開口１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、および１６２ｄを含むバッフル構造１６０を位置づけることを含む。バッフル構造１６０は、複数のひし形構造を複数の分離トレンチ１１６および／またはそれぞれのＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄと整列させるように位置づけることができる。
【0050】
いくつかの実施形態では、バッフル構造１６０は、本明細書に説明されるように、モノリシックＳｉＰＭアレイ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄとアパーチャアレイ１３０との間に位置づけることができる。いくつかの実施形態では、バッフル構造１６０は、ピックアンドプレースツールを用いて位置づけることができ、第１の表面１１２に沿って位置する見当マークに基づいて、下にある構造と整列することができる。
【0051】
図３Ｄは、例示的な実施形態による、製造方法の１ステップ３３０を例示する。ステップ３３０は、複数の受信機チャネル（例えば、図２Ａを参照して図示および説明されたような受信機チャネル１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、および１４０ｄ）を画定するように、バッフル構造１６０および／またはＳｉＰＭ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、および１２０ｄに対してアパーチャアレイ１３０を整列させることを含む。アパーチャアレイ１３０は、複数のアパーチャ１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、および１３２ｄを含む。各受信機チャネルは、複数のアパーチャのそれぞれのアパーチャおよびバッフル構造のそれぞれの開口に光学的に結合された複数のＳｉＰＭのそれぞれのＳｉＰＭを含む。
【0052】
図４は、例示的な実施形態による、方法４００を示す。方法４００は、図３Ａ～図３Ｄを参照して例示および説明された製造ステップまたは製造ステージのうちのいくつかまたはすべてにより、少なくとも部分的に実行されてもよい。方法４００は、本明細書において明示的に開示されたものよりも少ないまたは多いステップまたはブロックを含み得ることが理解されよう。さらに、方法４００のそれぞれのステップまたはブロックは、任意の順序で実行され得、各ステップまたはブロックは、１回以上実行され得る。いくつかの実施形態では、方法４００およびそのステップまたはブロックは、図１および図２を参照して例示および説明されたような光学システム１００および／または光学システム２００に類似するかまたは同一であり得る光学システムを提供するために実施され得る。
【0053】
ブロック４０２は、基板とモノリシックに統合された複数のシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を含むモノリシックＳｉＰＭアレイを提供することを含む。各ＳｉＰＭは、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む。いくつかの実施形態では、モノリシックＳｉＰＭアレイ内の複数のＳｉＰＭは、六角形または正方形のアレイで配置することができる。そのようなシナリオでは、モノリシックＳｉＰＭアレイ内の複数のＳｉＰＭを、１ｍｍ２当たり約０．４ＳｉＰＭの密度で配置することができる。
【0054】
いくつかの実施形態では、モノリシックＳｉＰＭアレイは、基板内に少なくとも１つの分離トレンチをさらに含み、少なくとも１つの分離トレンチは、隣接するＳｉＰＭの間に配置される。追加的または代替的に、少なくとも１つの隔離トレンチは、金属材料、光学的に不透明な材料、導電性材料、または非導電性材料のうちの少なくとも１つで少なくとも部分的に満たすことができる。
【0055】
いくつかの例では、少なくとも１つの分離トレンチは、隣接するＳｉＰＭ間の電気的分離を提供することができる。追加的または代替的に、少なくとも１つの分離トレンチは、隣接するＳｉＰＭ間の光学的分離を提供することができる。
【0056】
ブロック４０４は、複数の受信機チャネルを画定するように、複数のアパーチャを有するアパーチャアレイをモノリシックＳｉＰＭアレイと整列させることを含む。各受信機チャネルは、複数のアパーチャのそれぞれのアパーチャに光学的に結合された複数のＳｉＰＭのそれぞれのＳｉＰＭを含む。
【0057】
いくつかの実施形態では、方法４００は、モノリシックＳｉＰＭアレイとアパーチャアレイとの間にバッフル構造を位置づけることをさらに含むことができる。いくつかのシナリオでは、バッフル構造は、光学的に不透明な材料に複数の開口を含むことができる。バッフル構造を位置づけることは、各受信機チャネルが、バッフル構造のそれぞれの開口を介して複数のアパーチャのそれぞれのアパーチャに光学的に結合されている複数のＳｉＰＭのそれぞれのＳｉＰＭに関連付けられるように実行することができる。
【0058】
図に示されている特定の配置は、限定と見なされるべきではない。他の実施形態が、所与の図に示される各要素をより多く、またはより少なく含んでもよいことを理解されたい。さらに、図示される要素のうちのいくつかは、組み合わされ、または省略されてもよい。さらにまた、図示の実施形態は、図示されていない要素を含んでもよい。
【0059】
情報の処理を表すステップまたはブロックは、本明細書に記載の方法または技術の特定の論理機能を実施するように構成することができる回路に対応することができる。代替的または追加的に、情報の処理を表すステップまたはブロックは、モジュール、セグメント、物理コンピュータ（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）もしくは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））、またはプログラムコードの一部分（関連データを含む）に対応し得る。プログラムコードは、特定の論理機能または論理動作を方法または技法において実装するための、プロセッサにより実行可能な１つ以上の命令を含み得る。プログラムコードおよび／または関連データは、ディスク、ハードドライブ、または他の記憶媒体を含む、記憶デバイスなどの任意のタイプのコンピュータ可読媒体に記憶させることができる。
【0060】
コンピュータ可読媒体は、レジスタメモリ、プロセッサキャッシュ、およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のような、データを短期間記憶するコンピュータ可読媒体などの非一時的コンピュータ可読媒体も含むことができる。コンピュータ可読媒体はまた、プログラムコードおよび／またはデータを長期間にわたって記憶する非一時的コンピュータ可読媒体も含むことができる。このように、コンピュータ可読媒体は、例えば、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、光ディスクまたは磁気ディスク、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）のような二次的なまたは長期永続的な記憶装置を含むことができる。コンピュータ可読媒体はまた、任意の他の揮発性または不揮発性の記憶システムとすることもできる。コンピュータ可読媒体は、例えば、コンピュータ可読記憶媒体、または有形の記憶デバイスと考えることができる。
【0061】
様々な実施例および実施形態が開示されてきたが、他の実施例および実施形態が当業者にとって明らかであろう。様々な開示された例および実施形態は、例示の目的のためであり、限定することを意図するものではなく、その真の範囲は、以下の特許請求の範囲により示される。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4】
【国際調査報告】