半導體光檢測器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體光檢測器，尤其涉及一種檢測微弱的光的半導體光檢測器。
【背景技術】
[0002]近年來，在醫療、生物、放射線測量等各種領域中，需要對甚至I光子的微弱光進行準確測量的光檢測器。目前，作為檢測微弱光的光檢測器，廣泛利用光電倍增管(Photomultiplier Tube:PMT)。但是，作為真空管器件的PMT，其一個的大小最小也為1mmX 1mm左右，因此難以進行多像素化。另外，為了使用PMT進行二維成像，需要在XY面內掃描被攝體，收集被攝體的各點的信息后進行圖像化。因此，難以實時地拍攝被攝體。其中，為了同時實現檢測微弱光的光檢測器的多像素化和高速化，需要使光檢測器為固體元件。
[0003]作為一種檢測微弱光的光檢測器，提出了利用雪崩光電二極管(AvalanchePhotod1de:APD)的光子計數型的光檢測器。該光檢測器對射入APD的光子進行計數，將計數結果作為數字值的信號傳輸到像素之外。
[0004]例如，如專利文獻I所記載的那樣，光子計數型的光檢測器的構造是，將多個APD排列為陣列狀，該多個APD連接有負載電阻，被施加了比擊穿電壓稍低、或者擊穿電壓以上的高電壓。在該光檢測器中，根據如下所示的動作原理，如果對Aro射入I個光子，則產生脈沖信號，通過該脈沖信號，計數器的計數值增加I。由此，對射入APD的光子進行計數。
[0005]下面對APD的動作原理簡單地進行說明。
[0006]如果光子射入APD，則產生電子-空穴對。產生的電子和空穴中的一者或兩者由在APD內部產生的電場進行加速，與晶格發生碰撞而產生新的電子-空穴對，上述電場對應于在Aro兩端施加的電壓而產生。該現象稱為碰撞離化。通過反復發生該碰撞離化，從而對電荷進行倍增。
[0007]APD中有線性模式和蓋革模式這兩種動作模式。
[0008]線性模式是如下動作模式，即，使對APD施加的電壓略低于APD的擊穿電壓，僅電子和空穴中的一者發生碰撞離化。在線性模式中，以有限的次數發生碰撞離化，因此輸出的電流與入射光子數成比例。
[0009]蓋革模式是如下動作模式，S卩，使對APD施加的電壓在APD的擊穿電壓以上，由電子和空穴雙方發生碰撞離化。在蓋革模式下，電子和空穴雙方雪崩式地反復發生碰撞離化，輸出的電流急劇增加。因此，通常，為了使器件不受到破壞，將負載電阻與APD串聯連接使用。在此情況下，如果較大的電流流過負載電阻，則在負載電阻的兩端產生電壓，與所產生的電壓的量相應地，對APD的兩端施加的電壓下降。在AH)兩端的電壓大幅低于擊穿電壓時，碰撞離化停止，輸出的電流也瞬時衰減。因此，在蓋革模式下，輸出的電流成為脈沖信號，從APD輸出的電流值與入射光子數不成比例。
[0010]專利文獻I中記載的光檢測器使用蓋革模式的APD。
[0011]現有技術文獻
[0012]專利文獻
[0013]專利文獻1:美國專利第7262402號說明書
【發明內容】
[0014]在APD中，不僅由于光子的入射而生成的電荷發生倍增，由于熱激發等、光子入射以外的原因而生成的電荷也發生倍增，成為暗噪聲的原因。現有的光子計數型的光檢測器使用高倍增率的蓋革模式APD，因此暗噪聲極其大。因此，存在如下課題，即，僅通過I次檢測，無法將由于光子入射而生成的電荷所產生的信號和暗噪聲加以區分，通過信號(S)與噪聲(N)之比得到的S/N比明顯較低。
[0015]另外，由APD的倍增產生的電流是在電荷與晶格碰撞的過程中產生的隨機現象的產物，因此產生由散粒噪聲(shot noise)引起的倍增噪聲。蓋革模式APD以高倍增率(通常是15倍以上)動作，因此倍增噪聲與倍增率相應地變大。
[0016]在蓋革模式APD中，按照與光源同步的檢測電路的采樣次數，對數據進行累計，由此，與利用I次的數據進行的檢測相比，能夠改善S/N比。但是，該方法需要使光源的發光定時與信號檢測的定時進行同步，因此在隨機光的檢測(例如放射線測量等)中無法進行利用。為了能夠進行隨機光的檢測，需要將作為隨機噪聲的、器件的暗電流產生抑制為最小限度。
[0017]本發明針對上述課題，提供一種半導體光檢測器，通過與以往相比大幅減小暗噪聲和倍增噪聲，從而能夠檢測包含隨機光在內的微弱光。
[0018]為了解決上述課題，本發明的一個方式所涉及的半導體光檢測器至少具有I個單位像素，該單位像素具有光電變換部、電荷積蓄部、以及檢測電路。電荷積蓄部對入射光進行光電變換，并且具有通過雪崩倍增對電荷進行倍增的電荷倍增區域。電荷積蓄部與光電變換部連接，積蓄來自光電變換部的信號電荷。檢測電路與電荷積蓄部連接，將電荷積蓄部中積蓄的信號電荷變換為電壓，通過放大部進行放大后輸出。
[0019]根據本發明，能夠實現一種半導體光檢測器，通過將倍增噪聲和暗電流噪聲抑制為最小限度，從而能夠檢測包含隨機光在內的微弱光。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的第I實施方式所涉及的半導體光檢測器的單位像素的剖視圖。
[0021]圖2是表示第I實施方式所涉及的半導體光檢測器的單位像素的剖視圖與俯視圖(部分透視圖)的關系的圖。
[0022]圖3是表示第I實施方式所涉及的半導體光檢測器的等效電路的圖。
[0023]圖4是第I實施方式所涉及的光檢測器的集成化的概念圖。
[0024]圖5是表示第I實施方式所涉及的像素分離的電位形狀的圖。
[0025]圖6是表示第I實施方式所涉及的第I檢測電路的結構例的電路圖。
[0026]圖7是第I實施方式所涉及的第I檢測電路的時序圖。
[0027]圖8是表示第I實施方式所涉及的第2檢測電路的結構例的電路圖。
[0028]圖9是第I實施方式所涉及的第2檢測電路的時序圖。
[0029]圖10是第I實施方式所涉及的復位電路部的結構圖。
[0030]圖11是第I實施方式所涉及的運算電路部的邏輯電路圖。
[0031]圖12A是表示第I實施方式所涉及的半導體光檢測器的制造方法的工序剖視圖。
[0032]圖12B是表示第I實施方式所涉及的半導體光檢測器的制造方法的工序剖視圖。
[0033]圖12C是表示第I實施方式所涉及的半導體光檢測器的制造方法的工序剖視圖。
[0034]圖12D是表示第I實施方式所涉及的半導體光檢測器的制造方法的工序剖視圖。
[0035]圖12E是表示第I實施方式所涉及的半導體光檢測器的制造方法的工序剖視圖。
[0036]圖12F是表示第I實施方式所涉及的半導體光檢測器的制造方法的工序剖視圖。
[0037]圖12G是表示第I實施方式所涉及的半導體光檢測器的制造方法的工序剖視圖。
[0038]圖12H是表示第I實施方式所涉及的半導體光檢測器的制造方法的工序剖視圖。
[0039]圖121是表示第I實施方式所涉及的半導體光檢測器的制造方法的工序剖視圖。
[0040]圖13是本發明的第2實施方式所涉及的半導體光檢測器的單位像素的剖視圖。
[0041]圖14是表示第2實施方式所涉及的半導體光檢測器的等效電路的圖。
【具體實施方式】
[0042]下面，參照附圖對本發明所涉及的實施方式具體進行說明。對實質上相同的結構標注相同的標號，有時省略說明。此外，本發明不限定于以下實施方式。此外，如果沒有技術上的矛盾，則可以對不同實施方式所涉及的結構彼此進行組合。
[0043]第I實施方式
[0044]首先，參照圖1和圖2對本發明的第I實施方式所涉及的半導體光檢測器的單位像素的構造進行說明。此外，圖2為了明確示出俯視圖中的本實施方式所涉及的半導體光檢測器的配置，采用了部分透視圖。此外，在本說明書中，“俯視”是指從光電變換部101的受光面的法線方向觀察。
[0045]本實施方式所涉及的半導體光檢測器100在半導體基板21上以矩陣狀配置有多個單位像素。多個單位像素分別具有光電變換部101和檢測電路部201，光電變換部101和檢測電路部201通過接合部301進行電連接。
[0046]首先，對光電變換部101進行說明。
[0047]光電變換部101具有p_型的半導體層11，該半導體層11具有入射光入射側的第I表面SI和與第I表面SI相對的第2表面S2。此外，光電變換部101在半導體層11內具有P+型的第I半導體部12、n +型的第2半導體部13、p型的第3半導體部14、以及η -型的第4半導體部15。設P型為第I導電類型，η型為第2導電類型。
[0048]第I半導體部12配置在半導體層11的第I表面SI側，構成正極。第I半導體部12形成于第I表面SI的整個表面，跨越多個單位像素而形成。
[0049]第2半導體部13配置在半導體層11的第2表面S2側的一部分處，構成負極。第2半導體部13在每個單位像素中形成，相鄰的單位像素的第2半導體部13彼此相互分離。
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