フォトダイオードアレイ
【課題】シリコンフォトダイオードアレイであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオードアレイを提供すること。
【解決手段】フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、複数の光検出チャンネルＣＨがｎ型半導体層３２を有する基板Ｓを備える。フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、ｎ型半導体層３２上に形成されたｐ−型半導体層３３と、光検出チャンネルＣＨ毎に設けられると共に信号導線２３に一端部が接続される抵抗２４と、複数の光検出チャンネルＣＨの間に形成されるｎ型の分離部４０とを備える。ｐ−型半導体層３３は、ｎ型半導体層３２との界面でｐｎ接合を構成し、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる増倍領域ＡＭを光検出チャンネルに対応して複数有する。ｎ型半導体層３２の表面には不規則な凹凸１０が形成されており、当該表面は光学的に露出している。
【解決手段】フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、複数の光検出チャンネルＣＨがｎ型半導体層３２を有する基板Ｓを備える。フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、ｎ型半導体層３２上に形成されたｐ−型半導体層３３と、光検出チャンネルＣＨ毎に設けられると共に信号導線２３に一端部が接続される抵抗２４と、複数の光検出チャンネルＣＨの間に形成されるｎ型の分離部４０とを備える。ｐ−型半導体層３３は、ｎ型半導体層３２との界面でｐｎ接合を構成し、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる増倍領域ＡＭを光検出チャンネルに対応して複数有する。ｎ型半導体層３２の表面には不規則な凹凸１０が形成されており、当該表面は光学的に露出している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオード及びフォトダイオードアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
近赤外の波長帯域に高い分光感度特性を有するフォトダイオードとして、化合物半導体を用いたフォトダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたフォトダイオードでは、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＳｂ、及びＩｎＧａＡｓＮＰのいずれかからなる第１受光層と、第１受光層の吸収端より長波長の吸収端を有し、量子井戸構造からなる第２受光層と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１５３３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような化合物半導体を用いたフォトダイオードは、未だ高価であり、製造工程も複雑なものとなってしまう。このため、安価で且つ製造が容易なシリコンフォトダイオードであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度を有しているものの実用化が求められている。シリコンフォトダイオードは、一般に、分光感度特性の長波長側での限界は１１００ｎｍ程度ではあるものの、１０００ｎｍ以上の波長帯域における分光感度特性は十分なものではなかった。
【０００５】
本発明は、シリコンフォトダイオード及びシリコンフォトダイオードアレイであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオード及びフォトダイオードアレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るフォトダイオードアレイは、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルが第１導電型の半導体層を有するシリコン基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、第１導電型の半導体層上に形成され、当該半導体層との界面でｐｎ接合を構成するとともに、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域を当該各増倍領域と各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第２導電型のエピタキシャル半導体層と、２つの端部を有し、光検出チャンネルごとに設けられ、一方の端部を介してエピタキシャル半導体層と電気的に接続されると共に他方の端部を介して信号導線に接続される複数の抵抗と、を備え、第１導電型の半導体層における少なくとも各光検出チャンネルに対応する表面に不規則な凹凸が形成されており、第１導電型の半導体層における少なくとも各光検出チャンネルに対応する表面は、光学的に露出していることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るフォトダイオードアレイでは、ｐｎ接合は、第１導電型の半導体層と当該半導体層上に形成されたエピタキシャル半導体層とによって構成されている。また、増倍領域はｐｎ接合が実現されているエピタキシャル半導体層に形成され、各光検出チャンネルに対応する増倍領域はこのエピタキシャル半導体層にある。したがって、上記フォトダイオードアレイは、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さず、ガードリングを設ける必要がない。そのため、上記フォトダイオードアレイはその開口率を高くすることが可能となる。
【０００８】
そして、本発明によれば、第１導電型の半導体層における少なくとも各光検出チャンネルに対応する表面に不規則な凹凸が形成されているために、フォトダイオードアレイに入射した光は不規則な凹凸が形成された表面にて反射、散乱、又は拡散されて、シリコン基板内を長い距離進む。これにより、フォトダイオードアレイに入射した光は、その大部分がフォトダイオードアレイ（シリコン基板）を透過することなく、光検出チャンネルで吸収されることとなる。したがって、上記フォトダイオードアレイでは、フォトダイオードアレイに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【０００９】
また、本発明では、第１導電型の半導体層の上記表面に不規則な凹凸が形成されている。このため、不規則な凹凸が形成された上記表面側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、第１導電型の上記半導体層は、アキュムレーション層として機能し、第１導電型の半導体層の上記表面付近で光により発生したキャリアが該表面でトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、上記増倍領域へ効率的に移動し、フォトダイオードアレイの光検出感度を向上することができる。
【００１０】
本発明に係るフォトダイオードアレイは、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルが第１導電型の半導体層を有するシリコン基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、第１導電型の半導体層上に形成され、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域を当該各増倍領域と各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第１導電型のエピタキシャル半導体層と、第１導電型のエピタキシャル半導体層中に形成され、当該エピタキシャル半導体層との界面でｐｎ接合を構成する第２導電型の半導体領域と、２つの端部を有し、光検出チャンネルごとに設けられ、一方の端部を介してエピタキシャル半導体層中の第２導電型の半導体領域と電気的に接続されると共に他方の端部を介して信号導線に接続される複数の抵抗と、を備え、第１導電型の半導体層における少なくとも各光検出チャンネルに対応する表面に不規則な凹凸が形成されており、第１導電型の半導体層における少なくとも各光検出チャンネルに対応する表面は、光学的に露出していることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るフォトダイオードアレイでは、ｐｎ接合は、第１導電型のエピタキシャル半導体層と当該半導体層中に形成された第２導電型の半導体領域とによって構成されている。また、増倍領域はｐｎ接合が実現されているエピタキシャル半導体層に形成され、各光検出チャンネルに対応する増倍領域はこのエピタキシャル半導体層にある。したがって、上記フォトダイオードアレイは、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さず、ガードリングを設ける必要がない。そのため、上記フォトダイオードアレイはその開口率を高くすることが可能となる。
【００１２】
そして、本発明によれば、上述したように、フォトダイオードアレイに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。また、第１導電型の上記半導体層がアキュムレーション層として機能して、本発明では、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードの光検出感度を向上することができる。
【００１３】
好ましくは、第１導電型の半導体層における複数の光検出チャンネルの間に対応する表面は、不規則な凹凸が更に形成されていると共に、光学的に露出している。この場合、複数の光検出チャンネルの間に入射した光も不規則な凹凸が形成された表面にて反射、散乱、又は拡散されて、いずれかの光検出チャンネルで吸収される。したがって、光検出チャンネルの間において検出感度が低下することはなく、光検出感度がより一層向上する。
【００１４】
本発明に係るフォトダイオードアレイにおいて、シリコン基板は、複数の光検出チャンネルが形成されている部分が該部分の周辺部分を残して薄化されていてもよい。この場合、表面入射型及び裏面入射型のフォトダイオードアレイを得ることができる。
【００１５】
本発明に係るフォトダイオードアレイでは、第１導電型の半導体層の厚みが、不規則な凹凸の高低差よりも大きいことが好ましい。この場合、上述したように、第１導電型の半導体層によるアキュムレーション層としての作用効果を確保することができる。
【００１６】
本発明に係るフォトダイオードは、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を備え、シリコン基板には、第２主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、第２主面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の第２主面における第２導電型の半導体領域に対向する領域は、光学的に露出していることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るフォトダイオードでは、上述したように、フォトダイオードに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。また、シリコン基板の第２主面側に形成される第１導電型のアキュムレーション層により、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードの光検出感度を向上することができる。
【００１８】
好ましくは、シリコン基板は、第２導電型の半導体領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して第２主面側より薄化されている。この場合、シリコン基板の第１主面及び第２主面側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードを得ることができる。
【００１９】
好ましくは、第１導電型のアキュムレーション層の厚みが、不規則な上記凹凸の高低差よりも大きい。この場合、上述したように、アキュムレーション層による作用効果を確保することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、シリコンフォトダイオード及びシリコンフォトダイオードアレイであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオード及びフォトダイオードアレイを提供することを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図３】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図４】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図５】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図６】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図７】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図８】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図９】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１０】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１１】第１実施形態に係るフォトダイオードの構成を示す図である。
【図１２】実施例１及び比較例１における、波長に対する分光感度の変化を示す線図である。
【図１３】実施例１及び比較例１における、波長に対する温度係数の変化を示す線図である。
【図１４】第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１５】第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１６】第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１７】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１８】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１９】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２０】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２１】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２２】第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２３】第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２４】第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２５】第５実施形態に係るフォトダイオードアレイを概略的に示す平面図である。
【図２６】図２５におけるXXVI−XXVI線に沿った断面構成を概略的に示す図である。
【図２７】各光検出チャンネルと信号導線及び抵抗との接続関係を概略的に説明するための図である。
【図２８】第５実施形態に係るフォトダイオードアレイの第１変形例の断面構成を概略的に示す図である。
【図２９】第５実施形態に係るフォトダイオードアレイの第２変形例の断面構成を概略的に示す図である。
【図３０】第６実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３１】第７実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３２】第８実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３３】図２６に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３４】図２８に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３５】図２９に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３６】図３０に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３７】図３１に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３８】図３２に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３９】フォトダイオードアレイの実装構造の一例を概略的に示す図である。
【図４０】フォトダイオードアレイの実装構造の一例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１〜図１０を参照して、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１〜図１０は、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００２４】
まず、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第１主面１ａ及び第２主面１ｂを有するｎ−型半導体基板１を準備する（図１参照）。ｎ−型半導体基板１の厚みは３００μｍ程度であり、比抵抗は１ｋΩ・ｃｍ程度である。本実施形態では、「高不純物濃度」とは例えば不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「低不純物濃度」とは不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。ｎ型不純物としてはアンチモン（Ｓｂ）や砒素（Ａｓ）などがあり、ｐ型不純物としては硼素（Ｂ）などがある。
【００２５】
次に、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に、ｐ＋型半導体領域３及びｎ＋型半導体領域５を形成する（図２参照）。ｐ＋型半導体領域３は、中央部が開口したマスクなどを用い、ｎ−型半導体基板１内において第１主面１ａ側からｐ型不純物を高濃度に拡散させることにより形成する。ｎ＋型半導体領域５は、周辺部領域が開口した別のマスクなどを用い、ｐ＋型半導体領域３を囲むように、ｎ−型半導体基板１内において第１主面１ａ側からｎ型不純物をｎ−型半導体基板１よりも高濃度に拡散させることにより形成する。ｐ＋型半導体領域３の厚みは、例えば０．５５μｍ程度であり、シート抵抗は、例えば４４Ω／ｓｑ．である。ｎ＋型半導体領域５の厚みは、例えば１．５μｍ程度であり、シート抵抗は、例えば１２Ω／ｓｑ．である。
【００２６】
次に、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に絶縁層７を形成する（図３参照）。絶縁層７は、ＳｉＯ２からなり、ｎ−型半導体基板１を熱酸化することによって形成される。絶縁層７の厚みは、例えば０．１μｍ程度である。そして、ｐ＋型半導体領域３上の絶縁層７にコンタクトホールＨ１を形成し、ｎ＋型半導体領域５上の絶縁層７にコンタクトホールＨ２を形成する。絶縁層７の代わりに、ＳｉＮからなるアンチリフレクティブ（ＡＲ）層を形成してもよい。
【００２７】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ上及び絶縁層７上に、パッシベーション層９を形成する（図４参照）。パッシベーション層９は、ＳｉＮからなり、例えばプラズマＣＶＤ法により形成される。パッシベーション層９の厚みは、例えば０．１μｍである。そして、ｎ−型半導体基板１の厚みが所望の厚みとなるように、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩する（図５参照）。これにより、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ上に形成されたパッシベーション層９は除去され、ｎ−型半導体基板１が露出することとなる。ここでは、研摩により露出した面も、第２主面１ｂとする。所望の厚みは、例えば２７０μｍである。
【００２８】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図６参照）。ここでは、図７に示されるように、ｎ−型半導体基板１をチャンバＣ内に配置し、チャンバＣの外側に配置されたパルスレーザ発生装置ＰＬＤからパルスレーザ光ＰＬをｎ−型半導体基板１に照射する。チャンバＣはガス導入部ＧＩＮ及びガス排出部ＧＯＵＴを有しており、不活性ガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガスなど）をガス導入部ＧＩＮから導入してガス排出部ＧＯＵＴから排出することにより、チャンバＣ内に不活性ガス流Ｇｆが形成されている。パルスレーザ光ＰＬを照射した際に生じる塵などが不活性ガス流ＧｆによりチャンバＣ外に排出され、ｎ−型半導体基板１への加工屑や塵などの付着を防いでいる。
【００２９】
本実施形態では、パルスレーザ発生装置ＰＬＤとしてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用い、第２主面１ｂの全面にわたってピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射している。第２主面１ｂはピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光に荒らされ、図８に示されるように、不規則な凹凸１０が第２主面１ｂの全面に形成される。不規則な凹凸１０は、第１主面１ａに直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸１０の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸１０における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０１１〜２．５×１０１３（Ｗ／ｃｍ２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ２）程度である。図８は、第２主面１ｂに形成された不規則な凹凸１０を観察したＳＥＭ画像である。
【００３０】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図９参照）。ここでは、ｎ−型半導体基板１内において第２主面１ｂ側からｎ型不純物をｎ−型半導体基板１よりも高い不純物濃度となるようにイオン注入又は拡散させることにより、アキュムレーション層１１を形成する。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば１μｍ程度である。
【００３１】
次に、ｎ−型半導体基板１を熱処理（アニール）する。ここでは、ｎ−型半導体基板１を、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１時間程度にわたって加熱する。
【００３２】
次に、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図１０参照）。電極１３は、コンタクトホールＨ１内に形成され、電極１５は、コンタクトホールＨ２内に形成される。電極１３，１５は、それぞれアルミニウム（Ａｌ）などからなり、厚みは例えば１μｍ程度である。これにより、フォトダイオードＰＤ１が完成する。
【００３３】
フォトダイオードＰＤ１は、図１０に示されるように、ｎ−型半導体基板１を備えている。ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側には、ｐ＋型半導体領域３及びｎ＋型半導体領域５が形成されており、ｎ−型半導体基板１とｐ＋型半導体領域３との間にはｐｎ接合が形成されている。電極１３は、コンタクトホールＨ１を通して、ｐ＋型半導体領域３に電気的に接触且つ接続されている。電極１５は、コンタクトホールＨ２を通して、ｎ＋型半導体領域５に電気的に接触且つ接続されている。
【００３４】
ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂには、不規則な凹凸１０が形成されている。ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側には、アキュムレーション層１１が形成されており、第２主面１ｂは光学的に露出している。第２主面１ｂが光学的に露出しているとは、第２主面１ｂが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、第２主面１ｂ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。
【００３５】
フォトダイオードＰＤ１では、第２主面１ｂに不規則な凹凸１０が形成されているために、図１１に示されるように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、ｎ−型半導体基板１内を長い距離進む。
【００３６】
通常、Ｓｉの屈折率ｎ＝３．５に対して、空気の屈折率ｎ＝１．０である。フォトダイオードでは、光入射面に垂直な方向から光が入射した場合、フォトダイオード（シリコン基板）内で吸収されなかった光は、光入射面の裏面にて反射する光成分とフォトダイオードを透過する光成分に分かれる。フォトダイオードを透過した光は、フォトダイオードの感度には寄与しない。光入射面の裏面にて反射した光成分は、フォトダイオード内で吸収されれば、光電流となり、吸収されなかった光成分は、光入射面において、光入射面の裏面に到達した光成分と同様に、反射又は透過する。
【００３７】
フォトダイオードＰＤ１では、光入射面（第１主面１ａ）に垂直な方向から光Ｌが入射した場合、第２主面１ｂに形成された不規則な凹凸１０に到達すると、凹凸１０からの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸１０にて全反射される。凹凸１０は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に拡散する。このため、全反射した光成分は、ｎ−型半導体基板１内部で吸収される光成分もあれば、第１主面１ａや側面に到達する光成分もある。
【００３８】
第１主面１ａや側面に到達する光成分は、凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、第１主面１ａや側面に到達した光成分が第１主面１ａや側面にて全反射する可能性は極めて高い。第１主面１ａや側面にて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは、ｎ−型半導体基板１の内部を長い距離進むうちに、ｎ−型半導体基板１で吸収され、光電流として検出されることとなる。
【００３９】
このように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは、その大部分がフォトダイオードＰＤ１を透過することなく、走行距離が長くされて、ｎ−型半導体基板１で吸収されることとなる。したがって、フォトダイオードＰＤ１では、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００４０】
第２主面１ｂに規則的な凹凸を形成した場合、第１主面１ａや側面に到達する光成分は、凹凸にて拡散されているものの、一様な方向に進むため、第１主面１ａや側面に到達した光成分が第１主面１ａや側面にて全反射する可能性は低くなる。このため、第１主面１ａや側面、更には第２主面１ｂにて透過する光成分が増加し、フォトダイオードに入射した光の走行距離は短くなってしまう。このため、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することは困難となる。
【００４１】
ここで、第１実施形態による近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上効果を確認するための実験を行なった。
【００４２】
上述した構成を備えたフォトダイオード（実施例１と称する）と、ｎ−型半導体基板の第２主面に不規則な凹凸を形成していないフォトダイオード（比較例１と称する）と、を作製し、それぞれの分光感度特性を調べた。実施例１と比較例１とは、パルスレーザ光の照射による不規則な凹凸の形成の点を除いて、同じ構成とされている。ｎ−型半導体基板１のサイズは、６．５ｍｍ×６．５ｍｍに設定した。ｐ＋型半導体領域３、すなわち光感応領域のサイズは、５．８ｍｍ×５．８ｍｍに設定した。フォトダイオードに印加するバイアス電圧ＶＲは、０Ｖに設定した。
【００４３】
結果を図１２に示す。図１２において、実施例１の分光感度特性はＴ１で示され、比較例１の分光感度特性は特性Ｔ２で示されている。また、図１２において、縦軸は分光感度（ｍＡ／Ｗ）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。一点鎖線にて示されている特性は、量子効率（ＱＥ）が１００％となる分光感度特性を示し、破線にて示されている特性は、量子効率が５０％となる分光感度特性を示している。
【００４４】
図１２から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例１では分光感度が０．２Ａ／Ｗ（ＱＥ＝２５％）であるのに対して、実施例１では分光感度が０．６Ａ／Ｗ（ＱＥ＝７２％）となっており、近赤外の波長帯域での分光感度が大幅に向上している。
【００４５】
また、実施例１及び比較例１における、分光感度の温度特性についても確認した。ここでは、雰囲気温度を２５℃から６０℃に上昇させて分光感度特性を調べ、２５℃での分光感度に対する６０℃での分光感度の割合（温度係数）を求めた。結果を図１３に示す。図１３において、実施例１の温度係数の特性はＴ３で示され、比較例１の温度係数の特性は特性Ｔ４で示されている。また、図１３において、縦軸は温度係数（％／℃）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。
【００４６】
図１３から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例１では温度係数が０．７％／℃であるのに対して、実施例１では温度係数が０．２％／℃となっており、温度依存性が低い。一般に、温度が上昇すると吸収係数の増大とバンドギャップエネルギーの減少により、分光感度が高くなる。実施例１では、室温の状態でも分光感度が十分に高いことから、温度上昇による分光感度の変化が比較例１に比して小さくなっている。
【００４７】
フォトダイオードＰＤ１では、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側にアキュムレーション層１１が形成されている。これにより、第２主面１ｂ側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、アキュムレーション層１１は、第２主面１ｂ付近で光により発生したキャリアが当該第２主面１ｂでトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、ｐｎ接合部へ効率的に移動し、フォトダイオードＰＤ１の光検出感度を更に向上することができる。
【００４８】
第１実施形態では、アキュムレーション層１１を形成した後に、ｎ−型半導体基板１を熱処理している。これにより、ｎ−型半導体基板１の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
【００４９】
第１実施形態では、ｎ−型半導体基板１を熱処理した後に、電極１３，１５を形成している。これにより、電極１３，１５に比較的融点の低い金属を用いる場合でも、熱処理により電極１３，１５が溶融するようなことはなく、熱処理の影響を受けることなく電極１３，１５を適切に形成することができる。
【００５０】
第１実施形態では、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成している。これにより、不規則な凹凸１０を適切で且つ容易に形成することができる。
【００５１】
（第２実施形態）
図１４〜図１６を参照して、第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１４〜図１６は、第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００５２】
第２実施形態の製造方法は、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩するまでは、第１実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩して、ｎ−型半導体基板１を所望の厚みにした後、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図１４参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば１μｍ程度である。
【００５３】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図１５参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
【００５４】
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理する。そして、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図１６参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ２が完成する。
【００５５】
第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ２に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【００５６】
第２実施形態では、アキュムレーション層１１の厚みを、不規則な凹凸１０の高低差よりも大きくしている。このため、アキュムレーション層１１を形成した後に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成しても、アキュムレーション層１１が確実に残ることとなる。したがって、アキュムレーション層１１による作用効果を確保することができる。
【００５７】
（第３実施形態）
図１７〜図２１を参照して、第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１７〜図２１は、第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００５８】
第３実施形態の製造方法は、パッシベーション層９を形成するまでは、第１実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。パッシベーション層９を形成した後、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化する（図１７参照）。ｎ−型半導体基板１の薄化は、例えば水酸化カリウム溶液やＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム溶液）などを用いたアルカリエッチングによる異方性エッチングにより行なわれる。ｎ−型半導体基板１の薄化された部分の厚みは、例えば１００μｍ程度であり、周辺部分の厚みは、例えば３００μｍ程度である。
【００５９】
次に、ｎ−型半導体基板１の周辺部分の厚みが所望の厚みとなるように、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩する（図１８参照）。所望の厚みは、例えば２７０μｍである。
【００６０】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図１９参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
【００６１】
次に、ｎ−型半導体基板１の薄化されている部分の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図２０参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば３μｍ程度である。
【００６２】
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理した後、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去して、電極１３，１５を形成する（図２１参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ３が完成する。
【００６３】
第３実施形態においても、第１及び第２実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ３に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【００６４】
第３実施形態では、不規則な凹凸１０を形成する前に、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化している。これにより、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードＰＤ３を得ることができる。
【００６５】
（第４実施形態）
図２２〜図２４を参照して、第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図２２〜図２４は、第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００６６】
第４実施形態の製造方法は、ｎ−型半導体基板１を薄化するまでは、第３実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩して、ｎ−型半導体基板１を所望の厚みにした後、ｎ−型半導体基板１の薄化されている部分の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図２２参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば３μｍ程度である。
【００６７】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図２３参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
【００６８】
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理する。そして、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図２４参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ４が完成する。
【００６９】
第４実施形態においても、第１〜第３実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ４に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【００７０】
第４実施形態では、アキュムレーション層１１を形成する前に、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化している。これにより、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードＰＤ４を得ることができる。
【００７１】
（第５実施形態）
図２５及び図２６を参照して、第５実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１の構成について説明する。図２５は、第５実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１を概略的に示す平面図である。図２６は、図２５に示したフォトダイオードアレイＰＤＡ１のXXVI−XXVI線に沿った断面構成を示す図である。
【００７２】
フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、基板２２上に複数の半導体層及び絶縁層が積層されてなる。図２５に示すようにフォトダイオードアレイＰＤＡ１は、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルＣＨがマトリクス状（本実施形態では４×４）に形成されてなるフォトンカウンティング用マルチチャンネルアバランシェフォトダイオードである。フォトダイオードアレイＰＤＡ１の上面側には、信号導線２３、抵抗２４、及び電極パッド２５が設けられている。基板２２は、例えば一辺が１ｍｍ程度の正方形状である。各光検出チャンネルＣＨは、例えば、正方形状である。
【００７３】
信号導線２３は、各光検出チャンネルＣＨから出力された信号を運ぶ読み出し部２３ａと、各抵抗２４と読み出し部２３ａとを接続する接続部２３ｂと、各光検出チャンネルＣＨの外周を囲むように配線されるチャンネル外周部２３ｃとからなる。読み出し部２３ａは、当該読み出し部２３ａを挟んで隣接する２つの列に配置された光検出チャンネルＣＨそれぞれと接続されており、その一端において電極パッド２５と接続されている。また、本実施形態ではフォトダイオードが４×４のマトリクス状に配置されているため、フォトダイオードアレイＰＤＡ１上には２本の読み出し部２３ａが配線されており、これらは電極パッド２５に対して双方とも接続される。信号導線２３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる。
【００７４】
抵抗２４は、一方の端部２４ａ及びチャンネル外周部２３ｃを介して光検出チャンネルＣＨごとに設けられており、他方の端部２４ｂ及び接続部２３ｂを介して読み出し部２３ａに接続される。同一の読み出し部２３ａに接続される複数（本実施形態では８つ）の抵抗２４は、当該読み出し部２３ａに対して接続される。抵抗２４は、例えばポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）からなる。
【００７５】
次に、図２６を参照してフォトダイオードアレイＰＤＡ１の断面構成について説明する。図２６に示すように、フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、導電型がｎ型（第１導電型）の半導体層を有する基板２２と、基板２２上に形成された導電型がｐ型（第２導電型）のｐ−型半導体層３３、とｐ−型半導体層３３上に形成された導電型がｐ型のｐ＋型半導体領域３４と、保護膜３６と、ｐ−型半導体層３３に形成された導電型がｎ型（第１導電型）の分離部４０と、保護膜３６上に形成された上記の信号導線２３及び抵抗２４とを備える。被検出光は、図２６の上面側から又は下面側から入射される。
【００７６】
基板２２は、基板部材Ｓと、基板部材Ｓ上に形成された絶縁膜３１と、絶縁膜３１上に形成されたｎ＋型半導体層３２とを有する。基板部材Ｓは、Ｓｉ（シリコン）からなる。絶縁膜３１は、例えばＳｉＯ２（酸化シリコン）からなる。ｎ＋型半導体層３２は、Ｓｉからなり、不純物濃度が高い導電型がｎ型の半導体層である。ｎ＋型半導体層３２の厚さは、例えば１μｍ〜１２μｍである。
【００７７】
ｐ−型半導体層３３は、不純物濃度が低い導電型がｐ型のエピタキシャル半導体層である。ｐ−型半導体層３３は、基板２２との界面でｐｎ接合を構成する。ｐ−型半導体層３３は、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍する増倍領域ＡＭを各光検出チャンネルＣＨに対応して複数有する。ｐ−型半導体層３３の厚さは、例えば３μｍ〜５μｍである。ｐ−型半導体層３３は、Ｓｉからなる。したがって、ｎ＋型半導体層３２とｐ−型半導体層３３とは、シリコン基板を構成している。
【００７８】
ｐ＋型半導体領域３４は、各光検出チャンネルＣＨの増倍領域ＡＭに対応して、ｐ−型半導体層３３上に形成されている。すなわち、半導体層の積層方向（以下、単に積層方向という）でｐ＋型半導体領域３４の下方に位置するｐ−型半導体層３３の基板２２との界面近傍の領域が増倍領域ＡＭである。ｐ＋型半導体領域３４は、Ｓｉからなる。
【００７９】
分離部４０は、複数の光検出チャンネルＣＨの間に形成され、各光検出チャンネルＣＨを分離する。すなわち、分離部４０は、各光検出チャンネルＣＨと１対１に対応してｐ−型半導体層３３に増倍領域ＡＭが形成されるように形成される。分離部４０は、各増倍領域ＡＭの周囲を完全に囲うように基板２２上において２次元格子状に形成される。分離部４０は、積層方向でｐ−型半導体層３３の上面側から下面側まで貫通して形成されている。分離部４０の不純物は例えばＰからなり、不純物濃度が高い導電型がｎ型の半導体層である。分離部４０を拡散により形成すると、長い熱処理時間が必要となるため、ｎ＋型半導体層３２の不純物がエピタキシャル半導体層へ拡散して、ｐｎ接合の界面がせり上がることが考えられる。このせり上がり防止のため、分離部４０にあたる領域の中央付近をトレンチエッチングした後、不純物の拡散を行って分離部４０を形成してもよい。詳細は他の実施形態で説明するが、このトレンチ溝には、光検出チャンネルが吸収する波長帯域の光を吸収、又は反射する物質で埋めることによる遮光部を形成して、なだれ増倍による発光が隣接する光検出チャンネルに影響を及ぼして生じるクロストークを防止することもできる。
【００８０】
ｐ−型半導体層３３、ｐ＋型半導体領域３４、及び分離部４０は、フォトダイオードアレイＰＤＡ１の上面側において平面を形成し、これらの上には保護膜３６が形成されている。保護膜３６は、例えばＳｉＯ２からなる絶縁層によって形成される。
【００８１】
保護膜３６上には、信号導線２３及び抵抗２４が形成されている。信号導線２３の読み出し部２３ａ及び抵抗２４は、分離部４０の上方に形成されている。
【００８２】
なお、信号導線２３がアノードとして機能し、カソードとして、図示は省略するが基板２２の下面側（絶縁膜３１を有していない側）の全面に透明電極層（例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる層）を備えていてもよい。あるいは、カソードとして、電極部を表面側に引き出されるように形成してもよい。
【００８３】
ここで、図２７を参照して、各光検出チャンネルＣＨと信号導線２３及び抵抗２４との接続関係を説明する。図２７は、各光検出チャンネルＣＨと信号導線２３及び抵抗２４との接続関係を概略的に説明するための図である。図２７に示されるように、各光検出チャンネルＣＨのｐ＋型半導体領域３４と信号導線２３（チャンネル外周部２３ｃ）とは直接接続されている。これにより、信号導線２３（チャンネル外周部２３ｃ）とｐ−型半導体層３３とは電気的に接続される。また、ｐ−型半導体層３３と抵抗２４の一端部２４ａとは、信号導線２３（チャンネル外周部２３ｃ）を介して接続され、抵抗２４は他の一端部２４ｂがそれぞれ接続部２３ｂを介して読み出し部２３ａに対して接続される。
【００８４】
基板２２は、複数の光検出チャンネルＣＨが形成された領域が基板部材Ｓ側から薄化されて、基板部材Ｓにおける複数の光検出チャンネルＣＨが形成された領域に対応する部分が除去されている。薄化された領域の周囲には、基板部材Ｓが枠部として存在している。なお、上記枠部も除去され、基板２２は、全領域が薄化された、すなわち基板部材Ｓ全体が除去された構成を有していてもよい。基板部材Ｓの除去は、エッチング（例えば、ドライエッチングなど）や、研磨などにより行うことができる。ドライエッチングにより基板部材Ｓを除去する場合、絶縁膜３１はエッチングストップ層としても機能する。基板部材Ｓが除去されることにより露出する絶縁膜３１は、後述するようにして除去される。
【００８５】
ｎ＋型半導体層３２の表面には、複数の光検出チャンネルＣＨが形成された領域全体にわたって、不規則な凹凸１０が形成されている。ｎ＋型半導体層３２の表面における不規則な凹凸１０が形成された領域は、光学的に露出している。ｎ＋型半導体層３２の表面が光学的に露出しているとは、ｎ＋型半導体層３２の表面が空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、ｎ＋型半導体層３２の表面上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。不規則な凹凸１０は、各光検出チャンネルＣＨに対向している領域のみに形成されていてもよい。
【００８６】
不規則な凹凸１０は、基板部材Ｓが除去されることにより露出している絶縁膜３１に、上述した実施形態と同様に、パルスレーザ光を照射することにより形成される。すなわち、露出している絶縁膜３１にパルスレーザ光が照射されると、絶縁膜３１が除去されると共に、ｎ＋型半導体層３２の表面がパルスレーザ光に荒らされ、不規則な凹凸１０が形成される。パルスレーザ光を照射するパルスレーザ発生装置は、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用いることができる。不規則な凹凸１０は、ｎ＋型半導体層３２の表面に直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸１０の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸１０における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０１１〜２．５×１０１３（Ｗ／ｃｍ２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ２）程度である。
【００８７】
パルスレーザ光を照射して不規則な凹凸１０を形成した後に、基板２２を熱処理（アニール）することが好ましい。例えば、基板２２を、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１．０時間程度にわたって加熱する。上記熱処理により、ｎ＋型半導体層３２の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
【００８８】
このように構成されたフォトダイオードアレイＰＤＡ１をフォトンカウンティングに用いる場合、ガイガーモードと呼ばれる動作条件下で動作させる。このガイガーモード動作時には、各光検出チャンネルＣＨにブレークダウン電圧よりも高い逆電圧（例えば５０Ｖ以上）が印加される。この状態で上面側から各光検出チャンネルＣＨに被検出光が入射すると、被検出光が各光検出チャンネルＣＨにおいて吸収されてキャリアが発生する。発生したキャリアは各光検出チャンネルＣＨ内の電界に従って加速しながら移動し、各増倍領域ＡＭで増倍される。そして、増倍されたキャリアは抵抗２４を介して信号導線２３により外部へと取り出され、その出力信号の波高値に基づいて検出される。フォトンを検出したチャンネルからは何れも同量の出力が得られるので、全チャンネルからの総出力を検出することでフォトダイオードアレイＰＤＡ１のうちのいくつの光検出チャンネルＣＨから出力があったかがカウントされる。したがって、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、被検出光の一回の照射によって、フォトンカウンティングがなされる。
【００８９】
ところで、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、ｎ＋型半導体層３２の表面に不規則な凹凸１０が形成されているために、フォトダイオードアレイＰＤＡ１に入射した光は凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、フォトダイオードアレイＰＤＡ１内を長い距離進む。
【００９０】
例えば、フォトダイオードアレイＰＤＡ１を表面入射型フォトダイオードアレイとして用い、保護膜３６側からフォトダイオードアレイＰＤＡ１に光が入射した場合、ｎ＋型半導体層３２の表面に形成された不規則な凹凸１０に到達すると、凹凸１０からの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸１０にて全反射される。凹凸１０は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に拡散する。このため、全反射した光成分は、各光検出チャンネルＣＨで吸収される光成分もあれば、保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面に到達する光成分もある。
【００９１】
保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面に到達する光成分は、凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面に到達した光成分が保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面にて全反射する可能性は極めて高い。保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面にて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、フォトダイオードアレイＰＤＡ１に入射した光は、フォトダイオードアレイＰＤＡ１の内部を長い距離進むうちに、各光検出チャンネルＣＨで吸収され、光電流として検出されることとなる。
【００９２】
フォトダイオードアレイＰＤＡ１を裏面入射型フォトダイオードアレイとして用い、ｎ＋型半導体層３２の表面側からフォトダイオードアレイＰＤＡ１に光が入射した場合、入射した光は、凹凸１０により散乱され、フォトダイオードアレイＰＤＡ１内を様々な方向に進む。保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面に到達する光成分は、凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面に到達した光成分が各面にて全反射する可能性は極めて高い。保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面にて全反射した光成分は、異なる面での全反射や凹凸１０での反射、散乱、又は拡散を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、フォトダイオードアレイＰＤＡ１に入射した光は凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、フォトダイオードアレイＰＤＡ１内を長い距離進み、各光検出チャンネルＣＨで吸収され、光電流として検出されることとなる。
【００９３】
このように、フォトダイオードアレイＰＤＡ１に入射した光Ｌは、その大部分がフォトダイオードアレイＰＤＡ１を透過することなく、走行距離が長くされて、各光検出チャンネルＣＨで吸収されることとなる。したがって、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００９４】
第５実施形態では、ｎ＋型半導体層３２の表面に不規則な凹凸１０が形成されている。このため、不規則な凹凸１０が形成された上記表面側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、ｎ＋型半導体層３２は、アキュムレーション層として機能し、ｎ＋型半導体層３２の上記表面付近で光により発生したキャリアが該表面でトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、増倍領域ＡＭへ効率的に移動し、フォトダイオードアレイＰＤＡ１の光検出感度を向上することができる。
【００９５】
第５実施形態では、ｎ＋型半導体層３２における複数の光検出チャンネルＣＨの間に対応する表面も、不規則な凹凸１０が形成されていると共に、光学的に露出している。このため、複数の光検出チャンネルＣＨの間に入射した光も、不規則な凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、いずれかの光検出チャンネルＣＨで吸収される。したがって、光検出チャンネルＣＨの間において検出感度が低下することはなく、フォトダイオードアレイＰＤＡ１の光検出感度がより一層向上する。ところで、第５実施形態では、複数の光検出チャンネルＣＨが形成されているが、各光検出チャンネルＣＨは光の入射位置を検出するものでは無く、出力として各光検出チャンネルＣＨの出力の和をとる。このため、各光検出チャンネルＣＨ間のクロストークは問題にならず、入射した光はいずれかの光検出チャンネルＣＨで検出されればよい。
【００９６】
第５実施形態では、ｎ＋型半導体層３２の厚みが、不規則な凹凸１０の高低差よりも大きい。このため、ｎ＋型半導体層３２によるアキュムレーション層としての作用効果を確実に確保することができる。
【００９７】
また、第５実施形態では、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、ｐｎ接合は、基板２２のｎ＋型半導体層３２と当該基板２２のｎ＋型半導体層３２上に形成されたエピタキシャル半導体層であるｐ−型半導体層３３とによって構成されている。また、増倍領域ＡＭはｐｎ接合が実現されているｐ−型半導体層３３に形成され、各増倍領域ＡＭの各光検出チャンネルＣＨへの対応は光検出チャンネルＣＨ間に形成された分離部４０によって実現されている。ｐｎ接合面は、ｎ＋型半導体層３２とｐ−型半導体層３３との界面と、分離部４０とｐ−型半導体層３３との界面とから構成されており、高濃度不純物領域が凸となり電界が高くなる領域が存在しなくなっている。したがって、フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さない。そのため、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では各光検出チャンネルＣＨのｐｎ接合に対してガードリングを設ける必要がない。これにより、フォトダイオードアレイＰＤＡ１はその開口率を格段に高くすることが可能となる。
【００９８】
また、開口率を高くすることで、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では検出効率を大きくすることも可能となる。
【００９９】
また、各光検出チャンネルＣＨ間は分離部４０によって分離されているため、クロストークを良好に抑制することが可能となる。
【０１００】
また、ガイガーモードで動作させ、フォトンが入射された光検出チャンネルと入射しないチャンネルとの間で電圧差が大きくなった場合にも、光検出チャンネルＣＨ間には分離部４０が形成されているため、十分にチャンネル間を分離することができる。
【０１０１】
フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、信号導線２３の読み出し部２３ａが分離部４０の上方に形成されている。そのため、信号導線２３が増倍領域ＡＭ上方、すなわち光検出面上を横切ることが抑制されるため、開口率はより一層向上される。さらに、暗電流の抑制にも効果的であると考えられる。また、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、抵抗２４も分離部４０の上方に形成されているため、開口率はさらにより一層向上される。
【０１０２】
また、ｎ型の半導体基板を用い、その上にｐ型のエピタキシャル半導体層を形成した場合、ｎ型の半導体基板で発生したホールの一部が遅れて増倍領域に入りアフターパルスとなってしまうという問題が発生することを本願発明者はアフターパルスの波長依存性から見出した。こうした問題に対し、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、複数の光検出チャンネルＣＨが形成された領域において、基板部材Ｓが除去されているので、アフターパルスを抑制することが可能となる。
【０１０３】
なお、第５実施形態における分離部４０には種々の変形を適用することができる。図２８は、第５実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１の第１変形例の断面構成を概略的に示す図である。第１変形例に係るフォトダイオードアレイでは、複数（本変形例では２つ）の分離部４０が光検出チャンネルＣＨの間に形成されている。
【０１０４】
図２９は、本実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１の第２変形例の断面構成を概略的に示す図である。第２変形例に係るフォトダイオードアレイでは、分離部４０が、積層方向でｐ−型半導体層３３の上面側から下面側まで貫通することなく上面（被検出光入射面）近傍にのみ形成されている。
【０１０５】
また、上記実施形態では、エピタキシャル半導体層を第２導電型としたが、エピタキシャル半導体層を第１導電型として、当該半導体層中に第２導電型の半導体領域を設けて、第１導電型のエピタキシャル半導体層と第２導電型の半導体領域とでｐｎ接合を構成してもよい。
【０１０６】
フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、図３９及び図４０に示されるように、基板ＷＢに実装される。図３９では、フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、接着等により基板ＷＢに固定されており、基板ＷＢに形成された配線とワイヤーボンデングにより電気的に接続されている。図４０では、フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、パンプにより基板ＷＢに固定されていると共に、基板ＷＢに形成された配線に電気的に接続されている。フォトダイオードアレイＰＤＡ１と基板ＷＢとをバンプにより接続する場合、フォトダイオードアレイＰＤＡ１と基板ＷＢとの間にアンダーフィル樹脂を充填することが好ましい。この場合には、フォトダイオードアレイＰＤＡ１と基板ＷＢとの接続強度を確保することができる。
【０１０７】
図３９において、フォトダイオードアレイＰＤＡ１を裏面入射型フォトダイオードアレイとして用いる場合、基板ＷＢは光学的に透明であることが好ましい。同じく、図４０において、フォトダイオードアレイＰＤＡ１を表面入射型フォトダイオードアレイとして用いる場合も、基板ＷＢは光学的に透明であることが好ましい。このとき、充填されるアンダーフィル樹脂も光学的に透明であることが好ましい。
【０１０８】
（第６実施形態）
図３０を参照して、第６実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ２の構成について説明する。図３０は、第６実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ２の断面構成を概略的に示す図である。第６実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ２は、分離部４０が遮光部を有している点で第５実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１と異なる。
【０１０９】
図３０に示すように、分離部４０は、光検出チャンネルＣＨによって検出される被検出光の波長帯域（可視から近赤外）の光を吸収する物質からなる遮光部４２を含む。遮光部４２は、ｐ−型半導体層３３の上面側から下面側に向かって伸びる芯のように分離部４０内に埋め込まれて形成されている。遮光部４２は、例えばホトレジスト内に黒色の染料や絶縁処理したカーボンブラック等の顔料を混入させた黒色ホトレジストやタングステン等の金属からなる。ただし、遮光部４２を構成する物質が絶縁物質でない場合（例えば、タングステン等の金属）には、ＳｉＯ２等の絶縁膜で当該遮光部４２を被膜する必要がある。なお、第５実施形態でも述べているが、分離部４０を拡散により形成すると、長い熱処理時間が必要となるため、ｎ＋型半導体層３２の不純物がエピタキシャル半導体層へ拡散して、ｐｎ接合の界面がせり上がることが考えられる。このせり上がり防止のため、分離部４０にあたる領域の中央付近をトレンチエッチングした後、不純物の拡散を行って分離部４０を形成してもよい。図３０において示すように、不純物拡散を行った後は、ｎ＋型半導体層３２と分離部４０がつながった形となる。残るトレンチ溝には、上述のように光検出チャンネルが吸収する波長帯域の光を吸収する物質（後述するように、光検出チャンネルが吸収する波長帯域の光を反射する物質でもよい）で埋めることによる遮光部を形成して、なだれ増倍による発光が隣接する光検出チャンネルに影響を及ぼして生じるクロストークを防止することもできる。
【０１１０】
第６実施形態においても、第５実施形態と同様に、フォトダイオードアレイＰＤＡ２に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。また、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードアレイＰＤＡ２の光検出感度を向上することができる。
【０１１１】
また、フォトダイオードアレイＰＤＡ２でも、フォトダイオードアレイＰＤＡ１同様、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さない。そのため、フォトダイオードアレイＰＤＡ２でも各光検出チャンネルＣＨのｐｎ接合に対してガードリングを設ける必要がない。これにより、フォトダイオードアレイＰＤＡ２はその開口率を高くすることが可能となる。
【０１１２】
また、開口率を高くすることで、フォトダイオードアレイＰＤＡ２では検出効率を大きくすることも可能となる。
【０１１３】
また、各光検出チャンネルＣＨ間は分離部４０によって分離されているため、クロストークを良好に抑制することが可能となる。
【０１１４】
フォトダイオードアレイＰＤＡ２でも、信号導線２３の読み出し部２３ａが分離部４０の上方に形成されているため、開口率はより一層向上される。さらに、暗電流の抑制にも効果的であると考えられる。
【０１１５】
また、各分離部４０は、光検出チャンネルＣＨによって検出される被検出光の波長帯域の光を吸収する物質からなる遮光部４２を含む。したがって、被検出光は遮光部で吸収されるため、クロストークの発生を良好に抑制することが可能となる。さらに、遮光部４２は、なだれ増倍によって発生する光が隣接する光検出チャンネルＣＨに影響を与えないように、光検出チャンネルＣＨによって検出される被検出光の波長帯域、特になだれ増倍によって発生する可視〜近赤外の波長帯域の光を吸収する物質からなるので、クロストークの発生を良好に抑制することが可能になる。
【０１１６】
なお、遮光部４２は、可視から近赤外の光を吸収する物質に限らず、可視から近赤外の光を反射する物質であってもよい。この場合であっても、被検出光は遮光部で反射されるため、クロストークの発生を良好に抑制することが可能となる。さらに、遮光部４２は、なだれ増倍によって発生する光が隣接する光検出チャンネルＣＨに影響を与えないように、光検出チャンネルＣＨによって検出される被検出光の波長帯域、特になだれ増倍によって発生する可視〜近赤外の波長帯域の光を反射する物質からなるので、クロストークの発生を良好に抑制することが可能になる。
【０１１７】
また、遮光部４２は、可視から近赤外の光を吸収又は反射する物質に限らず、光検出チャンネルＣＨによって検出される被検出光の波長帯域の光を吸収又は反射する物質であればよい。ただし、遮光部４２は、なだれ増倍によって発生する光が隣接する光検出チャンネルＣＨに影響を与えないように、光検出チャンネルＣＨによって検出される被検出光の波長帯域、特になだれ増倍によって発生する可視〜近赤外の波長帯域の光を吸収又は反射する物質からなることが好ましい。
【０１１８】
なお、遮光部４２は、分離部４０よりも低い屈折率の物質からなっていてもよい。これらの場合であっても、光は遮光部で反射されるため、クロストークの発生を良好に抑制することが可能となる。
【０１１９】
（第７実施形態）
図３１を参照して、第７実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ３の構成について説明する。図３１は、第７実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ３の断面構成を概略的に説明するための図である。第７実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ３は、信号導線２３が窒化シリコン膜上に形成されている点で第５実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１と異なる。
【０１２０】
図３１に示すように、フォトダイオードアレイＰＤＡ３は、導電型がｎ型（第１導電型）の半導体層を有する基板２２と、基板２２上に形成された導電型がｐ型（第２導電型）のｐ型半導体層３５、とｐ型半導体層３５上に形成された導電型がｐ型のｐ＋型半導体領域３４と、保護膜３６ａ，３６ｂと、ｐ型半導体層３５に形成された導電型がｎ型（第１導電型）の分離部４０と、アルミニウムからなる信号導線２３と、例えばＰｏｌｙ−Ｓｉからなる抵抗２４とを備える。
【０１２１】
基板２２は、ｎ＋型の基板部材（不図示）と、当該基板部材上に形成されたｎ型半導体層３２とを有する。
【０１２２】
ｐ型半導体層３５は、不純物濃度がｐ＋型半導体領域３４より低い導電型がｐ型のエピタキシャル半導体層である。ｐ型半導体層３５は、基板２２のｎ型半導体層３２との界面でｐｎ接合を構成する。ｐ型半導体層３５は、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍する増倍領域ＡＭを各光検出チャンネルＣＨに対応して複数有する。ｐ型半導体層３５は、Ｓｉからなる。
【０１２３】
ｐ型半導体層３５、ｐ＋型半導体領域３４、及び分離部４０は、フォトダイオードアレイＰＤＡ３の上面側において平面を形成し、これらの上には保護膜３６ａ、３６ｂが形成されている。保護膜３６ａは酸化シリコン膜（ＳｉＯ２膜）からなる絶縁膜によって、保護膜３６ｂは窒化シリコン（ＳｉＮ膜あるいはＳｉ３Ｎ４膜）からなる絶縁膜によってそれぞれ形成される。
【０１２４】
図３１に示されるように、分離部４０上に、保護膜３６ａ、抵抗２４、保護膜３６ｂ、及び信号導線２３がこの順で積層されている。具体的には、分離部４０上に保護膜３６ａが積層されている。保護膜３６ａ上には、抵抗２４が積層されている。保護膜３６ａ及び抵抗２４上には、保護膜３６ｂが各抵抗２４の一部を除いて積層されている。保護膜３６ｂ及び保護膜３６ｂがその上に積層されていない抵抗２４の一部の上には、信号導線２３が電気的接続のため、積層されている。具体的には、抵抗２４間には信号導線２３の読み出し部２３ａが、抵抗２４上には電気的接続のため、接続部２３ｂ又はチャンネル外周部２３ｃへの電気的接続としての信号導線２３がそれぞれ積層される。
【０１２５】
さらに、図３１に示されるように、ｐ＋型半導体領域３４上には一部を除いて保護膜３６ｂが積層されている。保護膜３６ｂが積層されていないｐ＋型半導体領域３４の当該一部の上及びｐ＋型半導体領域３４上に積層された保護膜３６ｂの一部の上には、電気的接続のために信号導線２３のチャンネル外周部２３ｃが積層されている。
【０１２６】
第７実施形態においても、第５及び第６実施形態と同様に、フォトダイオードアレイＰＤＡ３に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。また、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードアレイＰＤＡ３の光検出感度を向上することができる。
【０１２７】
フォトダイオードアレイＰＤＡ３でも、フォトダイオードアレイＰＤＡ１同様、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さない。そのため、フォトダイオードアレイＰＤＡ３でも各光検出チャンネルＣＨのｐｎ接合に対してガードリングを設ける必要がない。これにより、フォトダイオードアレイＰＤＡ３はその開口率を高くすることが可能となる。
【０１２８】
また、開口率を高くすることで、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では検出効率を大きくすることも可能となる。
【０１２９】
また、光検出チャンネルＣＨ間は分離部４０によって分離されているため、クロストークを良好に抑制することが可能となる。
【０１３０】
フォトダイオードアレイＰＤＡ３でも、信号導線２３の読み出し部２３ａが分離部４０の上方に形成されているため、開口率はより一層向上される。さらに、暗電流の抑制にも効果的であると考えられる。
【０１３１】
信号導線２３は、アルミニウムからなるため、例えば酸化膜上に形成された場合、高電圧の印加によってアルミニウムがその下の膜に染みこんでしまうという問題が発生する。こうした問題に対し、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では、信号導線２３は窒化シリコン膜からなる保護膜３６ｂ上に形成されている。そのため、フォトダイオードアレイＰＤＡ３に高電圧を印加したとしても、アルミニウムがその下の膜（保護膜３６ｂ）に染みこむことが抑制される。
【０１３２】
加えて、信号導線２３の読み出し部２３ａの下には、保護膜３６ｂと保護膜３６ａもしくは抵抗２４が積層されている。そのため、高電圧の印加によってアルミニウムが分離部４０及びｐ型半導体層３５に染みこむことが良好に抑制されている。
【０１３３】
このように、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では、高電圧を印加した場合であっても、アルミニウムが光検出チャンネルＣＨ及び分離部４０に侵入することが好適に抑制される。
【０１３４】
例えばポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）からなる抵抗２４は保護膜３６ａ上に形成されるとともに、当該抵抗２４上には保護膜３６ｂ及び信号導線２３が形成されている。
【０１３５】
なお、ｎ型半導体層３２の代わりにｐ型の半導体層を用いてもよい。この場合、当該ｐ型の半導体層とｎ＋型の基板部材Ｓ（基板２２）との間でｐｎ接合が構成され、このｐ型の半導体層において増倍部ＡＭが形成されることとなる。
【０１３６】
（第８実施形態）
図３２を参照して、第８実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ４の構成について説明する。図３２は、第８実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ４の断面構成を概略的に示す図である。第８実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ４は、分離部４０を備えていない点で第５実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１と異なる。
【０１３７】
図３２に示すように、ｐ−型半導体層３３は複数の増倍領域ＡＭを、各増倍領域ＡＭと各光検出チャンネルＣＨとが互いに対応するように有する。各光検出チャンネルＣＨ間には、信号導線２３及び抵抗２４が形成されている。
【０１３８】
第８実施形態においても、第５〜第７実施形態と同様に、フォトダイオードアレイＰＤＡ４に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。また、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードアレイＰＤＡ４の光検出感度を向上することができる。
【０１３９】
フォトダイオードアレイＰＤＡ４でも、フォトダイオードアレイＰＤＡ１同様、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さない。そのため、フォトダイオードアレイＰＤＡ４でも各光検出チャンネルＣＨのｐｎ接合に対してガードリングを設ける必要がない。これにより、フォトダイオードアレイＰＤＡ４はその開口率を高くすることが可能となる。さらに、フォトダイオードアレイＰＤＡ４は、分離部を有さないことにより、より一層高い開口率を示すことができる。
【０１４０】
また、開口率を高くすることで、フォトダイオードアレイＰＤＡ４では検出効率を大きくすることも可能となる。
【０１４１】
フォトダイオードアレイＰＤＡ４では、信号導線２３の読み出し部２３ａが各光検出チャンネルＣＨ間に形成されているため、開口率はより一層向上される。さらに、暗電流の抑制にも効果的であると考えられる。
【０１４２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【０１４３】
第１〜第４実施形態では、第２主面１ｂの全面にわたって、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成しているが、これに限られない。例えば、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域のみに、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成してもよい。
【０１４４】
第１〜第４実施形態では、電極１５をｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に形成されたｎ＋型半導体領域５に電気的に接触且つ接続しているが、これに限られない。例えば、電極１５をｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に形成されたアキュムレーション層１１に電気的に接触且つ接続してもよい。この場合、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域外に、電極１５を形成することが好ましい。ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域に電極１５を形成すると、第２主面１ｂに形成されている不規則な凹凸１０が電極１５により塞がれ、近赤外の波長帯域における分光感度が低下するという事象が生じるためである。
【０１４５】
第１〜第４実施形態に係るフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４におけるｐ型及びｎ型の各導電型を上述したものとは逆になるよう入れ替えてもよい。
【０１４６】
第５〜第８実施形態において、フォトダイオードアレイに形成される光検出チャンネルの数は、上記実施形態における数（４×４）に限定されない。光検出チャンネルＣＨ間に形成される分離部４０の数も、上記実施形態及び変形例で示した数に限られず、例えば３つ以上であってもよい。また、信号導線２３は、分離部４０の上方に形成されていなくてもよい。抵抗２４も分離部４０の上方に形成されていなくてもよい。また、各層等は、上記実施形態及び変形例で例示したものに限られない。上述したフォトダイオードアレイＰＤＡ１〜ＰＤＡ４におけるｐ型及びｎ型の各導電型を上述したものとは逆になるよう入れ替えてもよい。
【０１４７】
図３３は図２６に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図であり、図３４は図２８に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図であり、図３５は図２９に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図であり、図３６は図３０に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図であり、図３７は図３１に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図であり、図３８は図３２に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。これらの基本的な平面構成と接続関係は、図２５に示したものと同一である。
【０１４８】
上述のように、図３３から図３８に示した構造では、図２６、図２８、図２９、図３０、図３１、図３２のｐ型半導体層３３又はｐ型半導体層３５に代えて、ｎ型半導体層Ｒ３３又はＲ３５を用いている。この場合、ｐｎ接合は、低濃度のｎ型半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）とｐ型半導体領域３４との界面に形成され、ｐｎ接合から空乏層がｎ型半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）に向けて広がり、空乏層に対応して増倍領域ＡＭがｐｎ接合界面からｎ型半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）に向かって形成されている。他の構造と作用は、上述のものと同一である。
【０１４９】
これらのフォトダイオードアレイＰＤＡ１〜ＰＤＡ４は、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルＣＨがｎ型半導体層３２を有するｎ型の基板２２に形成されてなる。被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルＣＨが、第１導電型のｎ＋型である半導体層３２（Ｓ）を有する基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、基板２２と、基板２２の第１導電型の半導体層３２上に形成され、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域ＡＭを当該各増倍領域ＡＭと各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第１導電型のｎ−型であるエピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）と、第１導電型のエピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）中に形成され、当該エピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）との界面でｐｎ接合を構成する第２導電型のｐ＋型である半導体領域３４と、２つの端部を有し、光検出チャンネルＣＨごとに設けられ、一方の端部２４ａを介してエピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）中の第２導電型の半導体領域３４と電気的に接続されると共に他方の端部２４ｂを介して信号導線２３に接続される複数の抵抗２４とを備えている。
【０１５０】
抵抗２４は、図２５に示したように、一方の端部２４ａ及びチャンネル外周部２３ｃを介して光検出チャンネルＣＨごとに設けられており、他方の端部２４ｂ及び接続部２３ｂを介して読み出し部２３ａに接続される。同一の読み出し部２３ａに接続される複数の抵抗２４は、当該読み出し部２３ａに対して接続される。
【０１５１】
これらのフォトダイオードアレイでは、ｐｎ接合は、基板上の第１導電型のエピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）と当該エピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）中に形成された第２導電型の半導体領域３４とによって構成されている。また、増倍領域ＡＭはｐｎ接合が実現されているエピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）に形成され、各光検出チャンネルに対応する増倍領域ＡＭはこのエピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）にある。
【産業上の利用可能性】
【０１５２】
本発明は、半導体光検出素子及び光検出装置に利用できる。
【符号の説明】
【０１５３】
１…ｎ−型半導体基板、１ａ…第１主面、１ｂ…第２主面、３…ｐ＋型半導体領域、５…ｎ＋型半導体領域、１０…不規則な凹凸、１１…アキュムレーション層、１３，１５…電極、２２…基板、２３…信号導線、２４…抵抗、２５…電極パッド、３１…絶縁膜、３２…ｎ＋型半導体層、３３…ｐ−型半導体層、３４…ｐ＋型半導体領域、３５…ｐ型半導体層、３６…保護膜、４０…分離部、４２…遮光部、ＡＭ…増倍領域、ＣＨ…光検出チャンネル、Ｓ…基板部材、ＰＬ…パルスレーザ光、ＰＤ１〜ＰＤ４…フォトダイオード、ＰＤＡ１〜ＰＤＡ４…フォトダイオードアレイ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオード及びフォトダイオードアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
近赤外の波長帯域に高い分光感度特性を有するフォトダイオードとして、化合物半導体を用いたフォトダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたフォトダイオードでは、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＳｂ、及びＩｎＧａＡｓＮＰのいずれかからなる第１受光層と、第１受光層の吸収端より長波長の吸収端を有し、量子井戸構造からなる第２受光層と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１５３３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような化合物半導体を用いたフォトダイオードは、未だ高価であり、製造工程も複雑なものとなってしまう。このため、安価で且つ製造が容易なシリコンフォトダイオードであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度を有しているものの実用化が求められている。シリコンフォトダイオードは、一般に、分光感度特性の長波長側での限界は１１００ｎｍ程度ではあるものの、１０００ｎｍ以上の波長帯域における分光感度特性は十分なものではなかった。
【０００５】
本発明は、シリコンフォトダイオード及びシリコンフォトダイオードアレイであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオード及びフォトダイオードアレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るフォトダイオードアレイは、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルが第１導電型の半導体層を有するシリコン基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、第１導電型の半導体層上に形成され、当該半導体層との界面でｐｎ接合を構成するとともに、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域を当該各増倍領域と各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第２導電型のエピタキシャル半導体層と、２つの端部を有し、光検出チャンネルごとに設けられ、一方の端部を介してエピタキシャル半導体層と電気的に接続されると共に他方の端部を介して信号導線に接続される複数の抵抗と、を備え、第１導電型の半導体層における少なくとも各光検出チャンネルに対応する表面に不規則な凹凸が形成されており、第１導電型の半導体層における少なくとも各光検出チャンネルに対応する表面は、光学的に露出していることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るフォトダイオードアレイでは、ｐｎ接合は、第１導電型の半導体層と当該半導体層上に形成されたエピタキシャル半導体層とによって構成されている。また、増倍領域はｐｎ接合が実現されているエピタキシャル半導体層に形成され、各光検出チャンネルに対応する増倍領域はこのエピタキシャル半導体層にある。したがって、上記フォトダイオードアレイは、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さず、ガードリングを設ける必要がない。そのため、上記フォトダイオードアレイはその開口率を高くすることが可能となる。
【０００８】
そして、本発明によれば、第１導電型の半導体層における少なくとも各光検出チャンネルに対応する表面に不規則な凹凸が形成されているために、フォトダイオードアレイに入射した光は不規則な凹凸が形成された表面にて反射、散乱、又は拡散されて、シリコン基板内を長い距離進む。これにより、フォトダイオードアレイに入射した光は、その大部分がフォトダイオードアレイ（シリコン基板）を透過することなく、光検出チャンネルで吸収されることとなる。したがって、上記フォトダイオードアレイでは、フォトダイオードアレイに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【０００９】
また、本発明では、第１導電型の半導体層の上記表面に不規則な凹凸が形成されている。このため、不規則な凹凸が形成された上記表面側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、第１導電型の上記半導体層は、アキュムレーション層として機能し、第１導電型の半導体層の上記表面付近で光により発生したキャリアが該表面でトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、上記増倍領域へ効率的に移動し、フォトダイオードアレイの光検出感度を向上することができる。
【００１０】
本発明に係るフォトダイオードアレイは、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルが第１導電型の半導体層を有するシリコン基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、第１導電型の半導体層上に形成され、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域を当該各増倍領域と各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第１導電型のエピタキシャル半導体層と、第１導電型のエピタキシャル半導体層中に形成され、当該エピタキシャル半導体層との界面でｐｎ接合を構成する第２導電型の半導体領域と、２つの端部を有し、光検出チャンネルごとに設けられ、一方の端部を介してエピタキシャル半導体層中の第２導電型の半導体領域と電気的に接続されると共に他方の端部を介して信号導線に接続される複数の抵抗と、を備え、第１導電型の半導体層における少なくとも各光検出チャンネルに対応する表面に不規則な凹凸が形成されており、第１導電型の半導体層における少なくとも各光検出チャンネルに対応する表面は、光学的に露出していることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るフォトダイオードアレイでは、ｐｎ接合は、第１導電型のエピタキシャル半導体層と当該半導体層中に形成された第２導電型の半導体領域とによって構成されている。また、増倍領域はｐｎ接合が実現されているエピタキシャル半導体層に形成され、各光検出チャンネルに対応する増倍領域はこのエピタキシャル半導体層にある。したがって、上記フォトダイオードアレイは、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さず、ガードリングを設ける必要がない。そのため、上記フォトダイオードアレイはその開口率を高くすることが可能となる。
【００１２】
そして、本発明によれば、上述したように、フォトダイオードアレイに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。また、第１導電型の上記半導体層がアキュムレーション層として機能して、本発明では、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードの光検出感度を向上することができる。
【００１３】
好ましくは、第１導電型の半導体層における複数の光検出チャンネルの間に対応する表面は、不規則な凹凸が更に形成されていると共に、光学的に露出している。この場合、複数の光検出チャンネルの間に入射した光も不規則な凹凸が形成された表面にて反射、散乱、又は拡散されて、いずれかの光検出チャンネルで吸収される。したがって、光検出チャンネルの間において検出感度が低下することはなく、光検出感度がより一層向上する。
【００１４】
本発明に係るフォトダイオードアレイにおいて、シリコン基板は、複数の光検出チャンネルが形成されている部分が該部分の周辺部分を残して薄化されていてもよい。この場合、表面入射型及び裏面入射型のフォトダイオードアレイを得ることができる。
【００１５】
本発明に係るフォトダイオードアレイでは、第１導電型の半導体層の厚みが、不規則な凹凸の高低差よりも大きいことが好ましい。この場合、上述したように、第１導電型の半導体層によるアキュムレーション層としての作用効果を確保することができる。
【００１６】
本発明に係るフォトダイオードは、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板を備え、シリコン基板には、第２主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、第２主面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の第２主面における第２導電型の半導体領域に対向する領域は、光学的に露出していることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るフォトダイオードでは、上述したように、フォトダイオードに入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるため、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。また、シリコン基板の第２主面側に形成される第１導電型のアキュムレーション層により、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードの光検出感度を向上することができる。
【００１８】
好ましくは、シリコン基板は、第２導電型の半導体領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して第２主面側より薄化されている。この場合、シリコン基板の第１主面及び第２主面側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードを得ることができる。
【００１９】
好ましくは、第１導電型のアキュムレーション層の厚みが、不規則な上記凹凸の高低差よりも大きい。この場合、上述したように、アキュムレーション層による作用効果を確保することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、シリコンフォトダイオード及びシリコンフォトダイオードアレイであって、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有しているフォトダイオード及びフォトダイオードアレイを提供することを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図３】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図４】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図５】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図６】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図７】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図８】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図９】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１０】第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１１】第１実施形態に係るフォトダイオードの構成を示す図である。
【図１２】実施例１及び比較例１における、波長に対する分光感度の変化を示す線図である。
【図１３】実施例１及び比較例１における、波長に対する温度係数の変化を示す線図である。
【図１４】第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１５】第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１６】第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１７】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１８】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図１９】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２０】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２１】第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２２】第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２３】第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２４】第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【図２５】第５実施形態に係るフォトダイオードアレイを概略的に示す平面図である。
【図２６】図２５におけるXXVI−XXVI線に沿った断面構成を概略的に示す図である。
【図２７】各光検出チャンネルと信号導線及び抵抗との接続関係を概略的に説明するための図である。
【図２８】第５実施形態に係るフォトダイオードアレイの第１変形例の断面構成を概略的に示す図である。
【図２９】第５実施形態に係るフォトダイオードアレイの第２変形例の断面構成を概略的に示す図である。
【図３０】第６実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３１】第７実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３２】第８実施形態に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３３】図２６に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３４】図２８に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３５】図２９に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３６】図３０に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３７】図３１に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３８】図３２に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。
【図３９】フォトダイオードアレイの実装構造の一例を概略的に示す図である。
【図４０】フォトダイオードアレイの実装構造の一例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１〜図１０を参照して、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１〜図１０は、第１実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００２４】
まず、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第１主面１ａ及び第２主面１ｂを有するｎ−型半導体基板１を準備する（図１参照）。ｎ−型半導体基板１の厚みは３００μｍ程度であり、比抵抗は１ｋΩ・ｃｍ程度である。本実施形態では、「高不純物濃度」とは例えば不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「低不純物濃度」とは不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。ｎ型不純物としてはアンチモン（Ｓｂ）や砒素（Ａｓ）などがあり、ｐ型不純物としては硼素（Ｂ）などがある。
【００２５】
次に、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に、ｐ＋型半導体領域３及びｎ＋型半導体領域５を形成する（図２参照）。ｐ＋型半導体領域３は、中央部が開口したマスクなどを用い、ｎ−型半導体基板１内において第１主面１ａ側からｐ型不純物を高濃度に拡散させることにより形成する。ｎ＋型半導体領域５は、周辺部領域が開口した別のマスクなどを用い、ｐ＋型半導体領域３を囲むように、ｎ−型半導体基板１内において第１主面１ａ側からｎ型不純物をｎ−型半導体基板１よりも高濃度に拡散させることにより形成する。ｐ＋型半導体領域３の厚みは、例えば０．５５μｍ程度であり、シート抵抗は、例えば４４Ω／ｓｑ．である。ｎ＋型半導体領域５の厚みは、例えば１．５μｍ程度であり、シート抵抗は、例えば１２Ω／ｓｑ．である。
【００２６】
次に、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に絶縁層７を形成する（図３参照）。絶縁層７は、ＳｉＯ２からなり、ｎ−型半導体基板１を熱酸化することによって形成される。絶縁層７の厚みは、例えば０．１μｍ程度である。そして、ｐ＋型半導体領域３上の絶縁層７にコンタクトホールＨ１を形成し、ｎ＋型半導体領域５上の絶縁層７にコンタクトホールＨ２を形成する。絶縁層７の代わりに、ＳｉＮからなるアンチリフレクティブ（ＡＲ）層を形成してもよい。
【００２７】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ上及び絶縁層７上に、パッシベーション層９を形成する（図４参照）。パッシベーション層９は、ＳｉＮからなり、例えばプラズマＣＶＤ法により形成される。パッシベーション層９の厚みは、例えば０．１μｍである。そして、ｎ−型半導体基板１の厚みが所望の厚みとなるように、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩する（図５参照）。これにより、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ上に形成されたパッシベーション層９は除去され、ｎ−型半導体基板１が露出することとなる。ここでは、研摩により露出した面も、第２主面１ｂとする。所望の厚みは、例えば２７０μｍである。
【００２８】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図６参照）。ここでは、図７に示されるように、ｎ−型半導体基板１をチャンバＣ内に配置し、チャンバＣの外側に配置されたパルスレーザ発生装置ＰＬＤからパルスレーザ光ＰＬをｎ−型半導体基板１に照射する。チャンバＣはガス導入部ＧＩＮ及びガス排出部ＧＯＵＴを有しており、不活性ガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガスなど）をガス導入部ＧＩＮから導入してガス排出部ＧＯＵＴから排出することにより、チャンバＣ内に不活性ガス流Ｇｆが形成されている。パルスレーザ光ＰＬを照射した際に生じる塵などが不活性ガス流ＧｆによりチャンバＣ外に排出され、ｎ−型半導体基板１への加工屑や塵などの付着を防いでいる。
【００２９】
本実施形態では、パルスレーザ発生装置ＰＬＤとしてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用い、第２主面１ｂの全面にわたってピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射している。第２主面１ｂはピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光に荒らされ、図８に示されるように、不規則な凹凸１０が第２主面１ｂの全面に形成される。不規則な凹凸１０は、第１主面１ａに直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸１０の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸１０における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０１１〜２．５×１０１３（Ｗ／ｃｍ２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ２）程度である。図８は、第２主面１ｂに形成された不規則な凹凸１０を観察したＳＥＭ画像である。
【００３０】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図９参照）。ここでは、ｎ−型半導体基板１内において第２主面１ｂ側からｎ型不純物をｎ−型半導体基板１よりも高い不純物濃度となるようにイオン注入又は拡散させることにより、アキュムレーション層１１を形成する。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば１μｍ程度である。
【００３１】
次に、ｎ−型半導体基板１を熱処理（アニール）する。ここでは、ｎ−型半導体基板１を、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１時間程度にわたって加熱する。
【００３２】
次に、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図１０参照）。電極１３は、コンタクトホールＨ１内に形成され、電極１５は、コンタクトホールＨ２内に形成される。電極１３，１５は、それぞれアルミニウム（Ａｌ）などからなり、厚みは例えば１μｍ程度である。これにより、フォトダイオードＰＤ１が完成する。
【００３３】
フォトダイオードＰＤ１は、図１０に示されるように、ｎ−型半導体基板１を備えている。ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側には、ｐ＋型半導体領域３及びｎ＋型半導体領域５が形成されており、ｎ−型半導体基板１とｐ＋型半導体領域３との間にはｐｎ接合が形成されている。電極１３は、コンタクトホールＨ１を通して、ｐ＋型半導体領域３に電気的に接触且つ接続されている。電極１５は、コンタクトホールＨ２を通して、ｎ＋型半導体領域５に電気的に接触且つ接続されている。
【００３４】
ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂには、不規則な凹凸１０が形成されている。ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側には、アキュムレーション層１１が形成されており、第２主面１ｂは光学的に露出している。第２主面１ｂが光学的に露出しているとは、第２主面１ｂが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、第２主面１ｂ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。
【００３５】
フォトダイオードＰＤ１では、第２主面１ｂに不規則な凹凸１０が形成されているために、図１１に示されるように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、ｎ−型半導体基板１内を長い距離進む。
【００３６】
通常、Ｓｉの屈折率ｎ＝３．５に対して、空気の屈折率ｎ＝１．０である。フォトダイオードでは、光入射面に垂直な方向から光が入射した場合、フォトダイオード（シリコン基板）内で吸収されなかった光は、光入射面の裏面にて反射する光成分とフォトダイオードを透過する光成分に分かれる。フォトダイオードを透過した光は、フォトダイオードの感度には寄与しない。光入射面の裏面にて反射した光成分は、フォトダイオード内で吸収されれば、光電流となり、吸収されなかった光成分は、光入射面において、光入射面の裏面に到達した光成分と同様に、反射又は透過する。
【００３７】
フォトダイオードＰＤ１では、光入射面（第１主面１ａ）に垂直な方向から光Ｌが入射した場合、第２主面１ｂに形成された不規則な凹凸１０に到達すると、凹凸１０からの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸１０にて全反射される。凹凸１０は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に拡散する。このため、全反射した光成分は、ｎ−型半導体基板１内部で吸収される光成分もあれば、第１主面１ａや側面に到達する光成分もある。
【００３８】
第１主面１ａや側面に到達する光成分は、凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、第１主面１ａや側面に到達した光成分が第１主面１ａや側面にて全反射する可能性は極めて高い。第１主面１ａや側面にて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは、ｎ−型半導体基板１の内部を長い距離進むうちに、ｎ−型半導体基板１で吸収され、光電流として検出されることとなる。
【００３９】
このように、フォトダイオードＰＤ１に入射した光Ｌは、その大部分がフォトダイオードＰＤ１を透過することなく、走行距離が長くされて、ｎ−型半導体基板１で吸収されることとなる。したがって、フォトダイオードＰＤ１では、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００４０】
第２主面１ｂに規則的な凹凸を形成した場合、第１主面１ａや側面に到達する光成分は、凹凸にて拡散されているものの、一様な方向に進むため、第１主面１ａや側面に到達した光成分が第１主面１ａや側面にて全反射する可能性は低くなる。このため、第１主面１ａや側面、更には第２主面１ｂにて透過する光成分が増加し、フォトダイオードに入射した光の走行距離は短くなってしまう。このため、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することは困難となる。
【００４１】
ここで、第１実施形態による近赤外の波長帯域での分光感度特性の向上効果を確認するための実験を行なった。
【００４２】
上述した構成を備えたフォトダイオード（実施例１と称する）と、ｎ−型半導体基板の第２主面に不規則な凹凸を形成していないフォトダイオード（比較例１と称する）と、を作製し、それぞれの分光感度特性を調べた。実施例１と比較例１とは、パルスレーザ光の照射による不規則な凹凸の形成の点を除いて、同じ構成とされている。ｎ−型半導体基板１のサイズは、６．５ｍｍ×６．５ｍｍに設定した。ｐ＋型半導体領域３、すなわち光感応領域のサイズは、５．８ｍｍ×５．８ｍｍに設定した。フォトダイオードに印加するバイアス電圧ＶＲは、０Ｖに設定した。
【００４３】
結果を図１２に示す。図１２において、実施例１の分光感度特性はＴ１で示され、比較例１の分光感度特性は特性Ｔ２で示されている。また、図１２において、縦軸は分光感度（ｍＡ／Ｗ）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。一点鎖線にて示されている特性は、量子効率（ＱＥ）が１００％となる分光感度特性を示し、破線にて示されている特性は、量子効率が５０％となる分光感度特性を示している。
【００４４】
図１２から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例１では分光感度が０．２Ａ／Ｗ（ＱＥ＝２５％）であるのに対して、実施例１では分光感度が０．６Ａ／Ｗ（ＱＥ＝７２％）となっており、近赤外の波長帯域での分光感度が大幅に向上している。
【００４５】
また、実施例１及び比較例１における、分光感度の温度特性についても確認した。ここでは、雰囲気温度を２５℃から６０℃に上昇させて分光感度特性を調べ、２５℃での分光感度に対する６０℃での分光感度の割合（温度係数）を求めた。結果を図１３に示す。図１３において、実施例１の温度係数の特性はＴ３で示され、比較例１の温度係数の特性は特性Ｔ４で示されている。また、図１３において、縦軸は温度係数（％／℃）を示し、横軸は光の波長（ｎｍ）を示している。
【００４６】
図１３から分かるように、例えば１０６４ｎｍにおいて、比較例１では温度係数が０．７％／℃であるのに対して、実施例１では温度係数が０．２％／℃となっており、温度依存性が低い。一般に、温度が上昇すると吸収係数の増大とバンドギャップエネルギーの減少により、分光感度が高くなる。実施例１では、室温の状態でも分光感度が十分に高いことから、温度上昇による分光感度の変化が比較例１に比して小さくなっている。
【００４７】
フォトダイオードＰＤ１では、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側にアキュムレーション層１１が形成されている。これにより、第２主面１ｂ側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、アキュムレーション層１１は、第２主面１ｂ付近で光により発生したキャリアが当該第２主面１ｂでトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、ｐｎ接合部へ効率的に移動し、フォトダイオードＰＤ１の光検出感度を更に向上することができる。
【００４８】
第１実施形態では、アキュムレーション層１１を形成した後に、ｎ−型半導体基板１を熱処理している。これにより、ｎ−型半導体基板１の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
【００４９】
第１実施形態では、ｎ−型半導体基板１を熱処理した後に、電極１３，１５を形成している。これにより、電極１３，１５に比較的融点の低い金属を用いる場合でも、熱処理により電極１３，１５が溶融するようなことはなく、熱処理の影響を受けることなく電極１３，１５を適切に形成することができる。
【００５０】
第１実施形態では、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成している。これにより、不規則な凹凸１０を適切で且つ容易に形成することができる。
【００５１】
（第２実施形態）
図１４〜図１６を参照して、第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１４〜図１６は、第２実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００５２】
第２実施形態の製造方法は、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩するまでは、第１実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩して、ｎ−型半導体基板１を所望の厚みにした後、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図１４参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば１μｍ程度である。
【００５３】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図１５参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
【００５４】
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理する。そして、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図１６参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ２が完成する。
【００５５】
第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ２に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【００５６】
第２実施形態では、アキュムレーション層１１の厚みを、不規則な凹凸１０の高低差よりも大きくしている。このため、アキュムレーション層１１を形成した後に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成しても、アキュムレーション層１１が確実に残ることとなる。したがって、アキュムレーション層１１による作用効果を確保することができる。
【００５７】
（第３実施形態）
図１７〜図２１を参照して、第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図１７〜図２１は、第３実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００５８】
第３実施形態の製造方法は、パッシベーション層９を形成するまでは、第１実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。パッシベーション層９を形成した後、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化する（図１７参照）。ｎ−型半導体基板１の薄化は、例えば水酸化カリウム溶液やＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム溶液）などを用いたアルカリエッチングによる異方性エッチングにより行なわれる。ｎ−型半導体基板１の薄化された部分の厚みは、例えば１００μｍ程度であり、周辺部分の厚みは、例えば３００μｍ程度である。
【００５９】
次に、ｎ−型半導体基板１の周辺部分の厚みが所望の厚みとなるように、ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩する（図１８参照）。所望の厚みは、例えば２７０μｍである。
【００６０】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図１９参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
【００６１】
次に、ｎ−型半導体基板１の薄化されている部分の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図２０参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば３μｍ程度である。
【００６２】
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理した後、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去して、電極１３，１５を形成する（図２１参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ３が完成する。
【００６３】
第３実施形態においても、第１及び第２実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ３に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【００６４】
第３実施形態では、不規則な凹凸１０を形成する前に、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化している。これにより、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードＰＤ３を得ることができる。
【００６５】
（第４実施形態）
図２２〜図２４を参照して、第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法について説明する。図２２〜図２４は、第４実施形態に係るフォトダイオードの製造方法を説明するための図である。
【００６６】
第４実施形態の製造方法は、ｎ−型半導体基板１を薄化するまでは、第３実施形態の製造方法と同じであり、それまでの工程の説明を省略する。ｎ−型半導体基板１を第２主面１ｂ側から研摩して、ｎ−型半導体基板１を所望の厚みにした後、ｎ−型半導体基板１の薄化されている部分の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する（図２２参照）。アキュムレーション層１１の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば３μｍ程度である。
【００６７】
次に、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにパルスレーザ光ＰＬを照射して、不規則な凹凸１０を形成する（図２３参照）。不規則な凹凸１０の形成は、第１実施形態と同様にして行なう。
【００６８】
次に、第１実施形態と同様に、ｎ−型半導体基板１を熱処理する。そして、絶縁層７上に形成されたパッシベーション層９を除去した後、電極１３，１５を形成する（図２４参照）。これにより、フォトダイオードＰＤ４が完成する。
【００６９】
第４実施形態においても、第１〜第３実施形態と同様に、フォトダイオードＰＤ４に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。
【００７０】
第４実施形態では、アキュムレーション層１１を形成する前に、ｎ−型半導体基板１におけるｐ＋型半導体領域３に対応する部分を当該部分の周辺部分を残して第２主面１ｂ側より薄化している。これにより、ｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂ側をそれぞれ光入射面としたフォトダイオードＰＤ４を得ることができる。
【００７１】
（第５実施形態）
図２５及び図２６を参照して、第５実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１の構成について説明する。図２５は、第５実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１を概略的に示す平面図である。図２６は、図２５に示したフォトダイオードアレイＰＤＡ１のXXVI−XXVI線に沿った断面構成を示す図である。
【００７２】
フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、基板２２上に複数の半導体層及び絶縁層が積層されてなる。図２５に示すようにフォトダイオードアレイＰＤＡ１は、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルＣＨがマトリクス状（本実施形態では４×４）に形成されてなるフォトンカウンティング用マルチチャンネルアバランシェフォトダイオードである。フォトダイオードアレイＰＤＡ１の上面側には、信号導線２３、抵抗２４、及び電極パッド２５が設けられている。基板２２は、例えば一辺が１ｍｍ程度の正方形状である。各光検出チャンネルＣＨは、例えば、正方形状である。
【００７３】
信号導線２３は、各光検出チャンネルＣＨから出力された信号を運ぶ読み出し部２３ａと、各抵抗２４と読み出し部２３ａとを接続する接続部２３ｂと、各光検出チャンネルＣＨの外周を囲むように配線されるチャンネル外周部２３ｃとからなる。読み出し部２３ａは、当該読み出し部２３ａを挟んで隣接する２つの列に配置された光検出チャンネルＣＨそれぞれと接続されており、その一端において電極パッド２５と接続されている。また、本実施形態ではフォトダイオードが４×４のマトリクス状に配置されているため、フォトダイオードアレイＰＤＡ１上には２本の読み出し部２３ａが配線されており、これらは電極パッド２５に対して双方とも接続される。信号導線２３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる。
【００７４】
抵抗２４は、一方の端部２４ａ及びチャンネル外周部２３ｃを介して光検出チャンネルＣＨごとに設けられており、他方の端部２４ｂ及び接続部２３ｂを介して読み出し部２３ａに接続される。同一の読み出し部２３ａに接続される複数（本実施形態では８つ）の抵抗２４は、当該読み出し部２３ａに対して接続される。抵抗２４は、例えばポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）からなる。
【００７５】
次に、図２６を参照してフォトダイオードアレイＰＤＡ１の断面構成について説明する。図２６に示すように、フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、導電型がｎ型（第１導電型）の半導体層を有する基板２２と、基板２２上に形成された導電型がｐ型（第２導電型）のｐ−型半導体層３３、とｐ−型半導体層３３上に形成された導電型がｐ型のｐ＋型半導体領域３４と、保護膜３６と、ｐ−型半導体層３３に形成された導電型がｎ型（第１導電型）の分離部４０と、保護膜３６上に形成された上記の信号導線２３及び抵抗２４とを備える。被検出光は、図２６の上面側から又は下面側から入射される。
【００７６】
基板２２は、基板部材Ｓと、基板部材Ｓ上に形成された絶縁膜３１と、絶縁膜３１上に形成されたｎ＋型半導体層３２とを有する。基板部材Ｓは、Ｓｉ（シリコン）からなる。絶縁膜３１は、例えばＳｉＯ２（酸化シリコン）からなる。ｎ＋型半導体層３２は、Ｓｉからなり、不純物濃度が高い導電型がｎ型の半導体層である。ｎ＋型半導体層３２の厚さは、例えば１μｍ〜１２μｍである。
【００７７】
ｐ−型半導体層３３は、不純物濃度が低い導電型がｐ型のエピタキシャル半導体層である。ｐ−型半導体層３３は、基板２２との界面でｐｎ接合を構成する。ｐ−型半導体層３３は、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍する増倍領域ＡＭを各光検出チャンネルＣＨに対応して複数有する。ｐ−型半導体層３３の厚さは、例えば３μｍ〜５μｍである。ｐ−型半導体層３３は、Ｓｉからなる。したがって、ｎ＋型半導体層３２とｐ−型半導体層３３とは、シリコン基板を構成している。
【００７８】
ｐ＋型半導体領域３４は、各光検出チャンネルＣＨの増倍領域ＡＭに対応して、ｐ−型半導体層３３上に形成されている。すなわち、半導体層の積層方向（以下、単に積層方向という）でｐ＋型半導体領域３４の下方に位置するｐ−型半導体層３３の基板２２との界面近傍の領域が増倍領域ＡＭである。ｐ＋型半導体領域３４は、Ｓｉからなる。
【００７９】
分離部４０は、複数の光検出チャンネルＣＨの間に形成され、各光検出チャンネルＣＨを分離する。すなわち、分離部４０は、各光検出チャンネルＣＨと１対１に対応してｐ−型半導体層３３に増倍領域ＡＭが形成されるように形成される。分離部４０は、各増倍領域ＡＭの周囲を完全に囲うように基板２２上において２次元格子状に形成される。分離部４０は、積層方向でｐ−型半導体層３３の上面側から下面側まで貫通して形成されている。分離部４０の不純物は例えばＰからなり、不純物濃度が高い導電型がｎ型の半導体層である。分離部４０を拡散により形成すると、長い熱処理時間が必要となるため、ｎ＋型半導体層３２の不純物がエピタキシャル半導体層へ拡散して、ｐｎ接合の界面がせり上がることが考えられる。このせり上がり防止のため、分離部４０にあたる領域の中央付近をトレンチエッチングした後、不純物の拡散を行って分離部４０を形成してもよい。詳細は他の実施形態で説明するが、このトレンチ溝には、光検出チャンネルが吸収する波長帯域の光を吸収、又は反射する物質で埋めることによる遮光部を形成して、なだれ増倍による発光が隣接する光検出チャンネルに影響を及ぼして生じるクロストークを防止することもできる。
【００８０】
ｐ−型半導体層３３、ｐ＋型半導体領域３４、及び分離部４０は、フォトダイオードアレイＰＤＡ１の上面側において平面を形成し、これらの上には保護膜３６が形成されている。保護膜３６は、例えばＳｉＯ２からなる絶縁層によって形成される。
【００８１】
保護膜３６上には、信号導線２３及び抵抗２４が形成されている。信号導線２３の読み出し部２３ａ及び抵抗２４は、分離部４０の上方に形成されている。
【００８２】
なお、信号導線２３がアノードとして機能し、カソードとして、図示は省略するが基板２２の下面側（絶縁膜３１を有していない側）の全面に透明電極層（例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる層）を備えていてもよい。あるいは、カソードとして、電極部を表面側に引き出されるように形成してもよい。
【００８３】
ここで、図２７を参照して、各光検出チャンネルＣＨと信号導線２３及び抵抗２４との接続関係を説明する。図２７は、各光検出チャンネルＣＨと信号導線２３及び抵抗２４との接続関係を概略的に説明するための図である。図２７に示されるように、各光検出チャンネルＣＨのｐ＋型半導体領域３４と信号導線２３（チャンネル外周部２３ｃ）とは直接接続されている。これにより、信号導線２３（チャンネル外周部２３ｃ）とｐ−型半導体層３３とは電気的に接続される。また、ｐ−型半導体層３３と抵抗２４の一端部２４ａとは、信号導線２３（チャンネル外周部２３ｃ）を介して接続され、抵抗２４は他の一端部２４ｂがそれぞれ接続部２３ｂを介して読み出し部２３ａに対して接続される。
【００８４】
基板２２は、複数の光検出チャンネルＣＨが形成された領域が基板部材Ｓ側から薄化されて、基板部材Ｓにおける複数の光検出チャンネルＣＨが形成された領域に対応する部分が除去されている。薄化された領域の周囲には、基板部材Ｓが枠部として存在している。なお、上記枠部も除去され、基板２２は、全領域が薄化された、すなわち基板部材Ｓ全体が除去された構成を有していてもよい。基板部材Ｓの除去は、エッチング（例えば、ドライエッチングなど）や、研磨などにより行うことができる。ドライエッチングにより基板部材Ｓを除去する場合、絶縁膜３１はエッチングストップ層としても機能する。基板部材Ｓが除去されることにより露出する絶縁膜３１は、後述するようにして除去される。
【００８５】
ｎ＋型半導体層３２の表面には、複数の光検出チャンネルＣＨが形成された領域全体にわたって、不規則な凹凸１０が形成されている。ｎ＋型半導体層３２の表面における不規則な凹凸１０が形成された領域は、光学的に露出している。ｎ＋型半導体層３２の表面が光学的に露出しているとは、ｎ＋型半導体層３２の表面が空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、ｎ＋型半導体層３２の表面上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。不規則な凹凸１０は、各光検出チャンネルＣＨに対向している領域のみに形成されていてもよい。
【００８６】
不規則な凹凸１０は、基板部材Ｓが除去されることにより露出している絶縁膜３１に、上述した実施形態と同様に、パルスレーザ光を照射することにより形成される。すなわち、露出している絶縁膜３１にパルスレーザ光が照射されると、絶縁膜３１が除去されると共に、ｎ＋型半導体層３２の表面がパルスレーザ光に荒らされ、不規則な凹凸１０が形成される。パルスレーザ光を照射するパルスレーザ発生装置は、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用いることができる。不規則な凹凸１０は、ｎ＋型半導体層３２の表面に直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸１０の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸１０における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０１１〜２．５×１０１３（Ｗ／ｃｍ２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ２）程度である。
【００８７】
パルスレーザ光を照射して不規則な凹凸１０を形成した後に、基板２２を熱処理（アニール）することが好ましい。例えば、基板２２を、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１．０時間程度にわたって加熱する。上記熱処理により、ｎ＋型半導体層３２の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
【００８８】
このように構成されたフォトダイオードアレイＰＤＡ１をフォトンカウンティングに用いる場合、ガイガーモードと呼ばれる動作条件下で動作させる。このガイガーモード動作時には、各光検出チャンネルＣＨにブレークダウン電圧よりも高い逆電圧（例えば５０Ｖ以上）が印加される。この状態で上面側から各光検出チャンネルＣＨに被検出光が入射すると、被検出光が各光検出チャンネルＣＨにおいて吸収されてキャリアが発生する。発生したキャリアは各光検出チャンネルＣＨ内の電界に従って加速しながら移動し、各増倍領域ＡＭで増倍される。そして、増倍されたキャリアは抵抗２４を介して信号導線２３により外部へと取り出され、その出力信号の波高値に基づいて検出される。フォトンを検出したチャンネルからは何れも同量の出力が得られるので、全チャンネルからの総出力を検出することでフォトダイオードアレイＰＤＡ１のうちのいくつの光検出チャンネルＣＨから出力があったかがカウントされる。したがって、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、被検出光の一回の照射によって、フォトンカウンティングがなされる。
【００８９】
ところで、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、ｎ＋型半導体層３２の表面に不規則な凹凸１０が形成されているために、フォトダイオードアレイＰＤＡ１に入射した光は凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、フォトダイオードアレイＰＤＡ１内を長い距離進む。
【００９０】
例えば、フォトダイオードアレイＰＤＡ１を表面入射型フォトダイオードアレイとして用い、保護膜３６側からフォトダイオードアレイＰＤＡ１に光が入射した場合、ｎ＋型半導体層３２の表面に形成された不規則な凹凸１０に到達すると、凹凸１０からの出射方向に対して１６．６°以上の角度にて到達した光成分は、凹凸１０にて全反射される。凹凸１０は、不規則に形成されていることから、出射方向に対して様々な角度を有しており、全反射した光成分は様々な方向に拡散する。このため、全反射した光成分は、各光検出チャンネルＣＨで吸収される光成分もあれば、保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面に到達する光成分もある。
【００９１】
保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面に到達する光成分は、凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面に到達した光成分が保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面にて全反射する可能性は極めて高い。保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面にて全反射した光成分は、異なる面での全反射を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、フォトダイオードアレイＰＤＡ１に入射した光は、フォトダイオードアレイＰＤＡ１の内部を長い距離進むうちに、各光検出チャンネルＣＨで吸収され、光電流として検出されることとなる。
【００９２】
フォトダイオードアレイＰＤＡ１を裏面入射型フォトダイオードアレイとして用い、ｎ＋型半導体層３２の表面側からフォトダイオードアレイＰＤＡ１に光が入射した場合、入射した光は、凹凸１０により散乱され、フォトダイオードアレイＰＤＡ１内を様々な方向に進む。保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面に到達する光成分は、凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面に到達した光成分が各面にて全反射する可能性は極めて高い。保護膜３６側の表面やｎ＋型半導体層３２の側面にて全反射した光成分は、異なる面での全反射や凹凸１０での反射、散乱、又は拡散を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、フォトダイオードアレイＰＤＡ１に入射した光は凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、フォトダイオードアレイＰＤＡ１内を長い距離進み、各光検出チャンネルＣＨで吸収され、光電流として検出されることとなる。
【００９３】
このように、フォトダイオードアレイＰＤＡ１に入射した光Ｌは、その大部分がフォトダイオードアレイＰＤＡ１を透過することなく、走行距離が長くされて、各光検出チャンネルＣＨで吸収されることとなる。したがって、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性が向上する。
【００９４】
第５実施形態では、ｎ＋型半導体層３２の表面に不規則な凹凸１０が形成されている。このため、不規則な凹凸１０が形成された上記表面側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、ｎ＋型半導体層３２は、アキュムレーション層として機能し、ｎ＋型半導体層３２の上記表面付近で光により発生したキャリアが該表面でトラップされるのを抑制する。このため、光により発生したキャリアは、増倍領域ＡＭへ効率的に移動し、フォトダイオードアレイＰＤＡ１の光検出感度を向上することができる。
【００９５】
第５実施形態では、ｎ＋型半導体層３２における複数の光検出チャンネルＣＨの間に対応する表面も、不規則な凹凸１０が形成されていると共に、光学的に露出している。このため、複数の光検出チャンネルＣＨの間に入射した光も、不規則な凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、いずれかの光検出チャンネルＣＨで吸収される。したがって、光検出チャンネルＣＨの間において検出感度が低下することはなく、フォトダイオードアレイＰＤＡ１の光検出感度がより一層向上する。ところで、第５実施形態では、複数の光検出チャンネルＣＨが形成されているが、各光検出チャンネルＣＨは光の入射位置を検出するものでは無く、出力として各光検出チャンネルＣＨの出力の和をとる。このため、各光検出チャンネルＣＨ間のクロストークは問題にならず、入射した光はいずれかの光検出チャンネルＣＨで検出されればよい。
【００９６】
第５実施形態では、ｎ＋型半導体層３２の厚みが、不規則な凹凸１０の高低差よりも大きい。このため、ｎ＋型半導体層３２によるアキュムレーション層としての作用効果を確実に確保することができる。
【００９７】
また、第５実施形態では、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、ｐｎ接合は、基板２２のｎ＋型半導体層３２と当該基板２２のｎ＋型半導体層３２上に形成されたエピタキシャル半導体層であるｐ−型半導体層３３とによって構成されている。また、増倍領域ＡＭはｐｎ接合が実現されているｐ−型半導体層３３に形成され、各増倍領域ＡＭの各光検出チャンネルＣＨへの対応は光検出チャンネルＣＨ間に形成された分離部４０によって実現されている。ｐｎ接合面は、ｎ＋型半導体層３２とｐ−型半導体層３３との界面と、分離部４０とｐ−型半導体層３３との界面とから構成されており、高濃度不純物領域が凸となり電界が高くなる領域が存在しなくなっている。したがって、フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さない。そのため、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では各光検出チャンネルＣＨのｐｎ接合に対してガードリングを設ける必要がない。これにより、フォトダイオードアレイＰＤＡ１はその開口率を格段に高くすることが可能となる。
【００９８】
また、開口率を高くすることで、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では検出効率を大きくすることも可能となる。
【００９９】
また、各光検出チャンネルＣＨ間は分離部４０によって分離されているため、クロストークを良好に抑制することが可能となる。
【０１００】
また、ガイガーモードで動作させ、フォトンが入射された光検出チャンネルと入射しないチャンネルとの間で電圧差が大きくなった場合にも、光検出チャンネルＣＨ間には分離部４０が形成されているため、十分にチャンネル間を分離することができる。
【０１０１】
フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、信号導線２３の読み出し部２３ａが分離部４０の上方に形成されている。そのため、信号導線２３が増倍領域ＡＭ上方、すなわち光検出面上を横切ることが抑制されるため、開口率はより一層向上される。さらに、暗電流の抑制にも効果的であると考えられる。また、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、抵抗２４も分離部４０の上方に形成されているため、開口率はさらにより一層向上される。
【０１０２】
また、ｎ型の半導体基板を用い、その上にｐ型のエピタキシャル半導体層を形成した場合、ｎ型の半導体基板で発生したホールの一部が遅れて増倍領域に入りアフターパルスとなってしまうという問題が発生することを本願発明者はアフターパルスの波長依存性から見出した。こうした問題に対し、フォトダイオードアレイＰＤＡ１では、複数の光検出チャンネルＣＨが形成された領域において、基板部材Ｓが除去されているので、アフターパルスを抑制することが可能となる。
【０１０３】
なお、第５実施形態における分離部４０には種々の変形を適用することができる。図２８は、第５実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１の第１変形例の断面構成を概略的に示す図である。第１変形例に係るフォトダイオードアレイでは、複数（本変形例では２つ）の分離部４０が光検出チャンネルＣＨの間に形成されている。
【０１０４】
図２９は、本実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１の第２変形例の断面構成を概略的に示す図である。第２変形例に係るフォトダイオードアレイでは、分離部４０が、積層方向でｐ−型半導体層３３の上面側から下面側まで貫通することなく上面（被検出光入射面）近傍にのみ形成されている。
【０１０５】
また、上記実施形態では、エピタキシャル半導体層を第２導電型としたが、エピタキシャル半導体層を第１導電型として、当該半導体層中に第２導電型の半導体領域を設けて、第１導電型のエピタキシャル半導体層と第２導電型の半導体領域とでｐｎ接合を構成してもよい。
【０１０６】
フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、図３９及び図４０に示されるように、基板ＷＢに実装される。図３９では、フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、接着等により基板ＷＢに固定されており、基板ＷＢに形成された配線とワイヤーボンデングにより電気的に接続されている。図４０では、フォトダイオードアレイＰＤＡ１は、パンプにより基板ＷＢに固定されていると共に、基板ＷＢに形成された配線に電気的に接続されている。フォトダイオードアレイＰＤＡ１と基板ＷＢとをバンプにより接続する場合、フォトダイオードアレイＰＤＡ１と基板ＷＢとの間にアンダーフィル樹脂を充填することが好ましい。この場合には、フォトダイオードアレイＰＤＡ１と基板ＷＢとの接続強度を確保することができる。
【０１０７】
図３９において、フォトダイオードアレイＰＤＡ１を裏面入射型フォトダイオードアレイとして用いる場合、基板ＷＢは光学的に透明であることが好ましい。同じく、図４０において、フォトダイオードアレイＰＤＡ１を表面入射型フォトダイオードアレイとして用いる場合も、基板ＷＢは光学的に透明であることが好ましい。このとき、充填されるアンダーフィル樹脂も光学的に透明であることが好ましい。
【０１０８】
（第６実施形態）
図３０を参照して、第６実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ２の構成について説明する。図３０は、第６実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ２の断面構成を概略的に示す図である。第６実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ２は、分離部４０が遮光部を有している点で第５実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１と異なる。
【０１０９】
図３０に示すように、分離部４０は、光検出チャンネルＣＨによって検出される被検出光の波長帯域（可視から近赤外）の光を吸収する物質からなる遮光部４２を含む。遮光部４２は、ｐ−型半導体層３３の上面側から下面側に向かって伸びる芯のように分離部４０内に埋め込まれて形成されている。遮光部４２は、例えばホトレジスト内に黒色の染料や絶縁処理したカーボンブラック等の顔料を混入させた黒色ホトレジストやタングステン等の金属からなる。ただし、遮光部４２を構成する物質が絶縁物質でない場合（例えば、タングステン等の金属）には、ＳｉＯ２等の絶縁膜で当該遮光部４２を被膜する必要がある。なお、第５実施形態でも述べているが、分離部４０を拡散により形成すると、長い熱処理時間が必要となるため、ｎ＋型半導体層３２の不純物がエピタキシャル半導体層へ拡散して、ｐｎ接合の界面がせり上がることが考えられる。このせり上がり防止のため、分離部４０にあたる領域の中央付近をトレンチエッチングした後、不純物の拡散を行って分離部４０を形成してもよい。図３０において示すように、不純物拡散を行った後は、ｎ＋型半導体層３２と分離部４０がつながった形となる。残るトレンチ溝には、上述のように光検出チャンネルが吸収する波長帯域の光を吸収する物質（後述するように、光検出チャンネルが吸収する波長帯域の光を反射する物質でもよい）で埋めることによる遮光部を形成して、なだれ増倍による発光が隣接する光検出チャンネルに影響を及ぼして生じるクロストークを防止することもできる。
【０１１０】
第６実施形態においても、第５実施形態と同様に、フォトダイオードアレイＰＤＡ２に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。また、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードアレイＰＤＡ２の光検出感度を向上することができる。
【０１１１】
また、フォトダイオードアレイＰＤＡ２でも、フォトダイオードアレイＰＤＡ１同様、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さない。そのため、フォトダイオードアレイＰＤＡ２でも各光検出チャンネルＣＨのｐｎ接合に対してガードリングを設ける必要がない。これにより、フォトダイオードアレイＰＤＡ２はその開口率を高くすることが可能となる。
【０１１２】
また、開口率を高くすることで、フォトダイオードアレイＰＤＡ２では検出効率を大きくすることも可能となる。
【０１１３】
また、各光検出チャンネルＣＨ間は分離部４０によって分離されているため、クロストークを良好に抑制することが可能となる。
【０１１４】
フォトダイオードアレイＰＤＡ２でも、信号導線２３の読み出し部２３ａが分離部４０の上方に形成されているため、開口率はより一層向上される。さらに、暗電流の抑制にも効果的であると考えられる。
【０１１５】
また、各分離部４０は、光検出チャンネルＣＨによって検出される被検出光の波長帯域の光を吸収する物質からなる遮光部４２を含む。したがって、被検出光は遮光部で吸収されるため、クロストークの発生を良好に抑制することが可能となる。さらに、遮光部４２は、なだれ増倍によって発生する光が隣接する光検出チャンネルＣＨに影響を与えないように、光検出チャンネルＣＨによって検出される被検出光の波長帯域、特になだれ増倍によって発生する可視〜近赤外の波長帯域の光を吸収する物質からなるので、クロストークの発生を良好に抑制することが可能になる。
【０１１６】
なお、遮光部４２は、可視から近赤外の光を吸収する物質に限らず、可視から近赤外の光を反射する物質であってもよい。この場合であっても、被検出光は遮光部で反射されるため、クロストークの発生を良好に抑制することが可能となる。さらに、遮光部４２は、なだれ増倍によって発生する光が隣接する光検出チャンネルＣＨに影響を与えないように、光検出チャンネルＣＨによって検出される被検出光の波長帯域、特になだれ増倍によって発生する可視〜近赤外の波長帯域の光を反射する物質からなるので、クロストークの発生を良好に抑制することが可能になる。
【０１１７】
また、遮光部４２は、可視から近赤外の光を吸収又は反射する物質に限らず、光検出チャンネルＣＨによって検出される被検出光の波長帯域の光を吸収又は反射する物質であればよい。ただし、遮光部４２は、なだれ増倍によって発生する光が隣接する光検出チャンネルＣＨに影響を与えないように、光検出チャンネルＣＨによって検出される被検出光の波長帯域、特になだれ増倍によって発生する可視〜近赤外の波長帯域の光を吸収又は反射する物質からなることが好ましい。
【０１１８】
なお、遮光部４２は、分離部４０よりも低い屈折率の物質からなっていてもよい。これらの場合であっても、光は遮光部で反射されるため、クロストークの発生を良好に抑制することが可能となる。
【０１１９】
（第７実施形態）
図３１を参照して、第７実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ３の構成について説明する。図３１は、第７実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ３の断面構成を概略的に説明するための図である。第７実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ３は、信号導線２３が窒化シリコン膜上に形成されている点で第５実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１と異なる。
【０１２０】
図３１に示すように、フォトダイオードアレイＰＤＡ３は、導電型がｎ型（第１導電型）の半導体層を有する基板２２と、基板２２上に形成された導電型がｐ型（第２導電型）のｐ型半導体層３５、とｐ型半導体層３５上に形成された導電型がｐ型のｐ＋型半導体領域３４と、保護膜３６ａ，３６ｂと、ｐ型半導体層３５に形成された導電型がｎ型（第１導電型）の分離部４０と、アルミニウムからなる信号導線２３と、例えばＰｏｌｙ−Ｓｉからなる抵抗２４とを備える。
【０１２１】
基板２２は、ｎ＋型の基板部材（不図示）と、当該基板部材上に形成されたｎ型半導体層３２とを有する。
【０１２２】
ｐ型半導体層３５は、不純物濃度がｐ＋型半導体領域３４より低い導電型がｐ型のエピタキシャル半導体層である。ｐ型半導体層３５は、基板２２のｎ型半導体層３２との界面でｐｎ接合を構成する。ｐ型半導体層３５は、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍する増倍領域ＡＭを各光検出チャンネルＣＨに対応して複数有する。ｐ型半導体層３５は、Ｓｉからなる。
【０１２３】
ｐ型半導体層３５、ｐ＋型半導体領域３４、及び分離部４０は、フォトダイオードアレイＰＤＡ３の上面側において平面を形成し、これらの上には保護膜３６ａ、３６ｂが形成されている。保護膜３６ａは酸化シリコン膜（ＳｉＯ２膜）からなる絶縁膜によって、保護膜３６ｂは窒化シリコン（ＳｉＮ膜あるいはＳｉ３Ｎ４膜）からなる絶縁膜によってそれぞれ形成される。
【０１２４】
図３１に示されるように、分離部４０上に、保護膜３６ａ、抵抗２４、保護膜３６ｂ、及び信号導線２３がこの順で積層されている。具体的には、分離部４０上に保護膜３６ａが積層されている。保護膜３６ａ上には、抵抗２４が積層されている。保護膜３６ａ及び抵抗２４上には、保護膜３６ｂが各抵抗２４の一部を除いて積層されている。保護膜３６ｂ及び保護膜３６ｂがその上に積層されていない抵抗２４の一部の上には、信号導線２３が電気的接続のため、積層されている。具体的には、抵抗２４間には信号導線２３の読み出し部２３ａが、抵抗２４上には電気的接続のため、接続部２３ｂ又はチャンネル外周部２３ｃへの電気的接続としての信号導線２３がそれぞれ積層される。
【０１２５】
さらに、図３１に示されるように、ｐ＋型半導体領域３４上には一部を除いて保護膜３６ｂが積層されている。保護膜３６ｂが積層されていないｐ＋型半導体領域３４の当該一部の上及びｐ＋型半導体領域３４上に積層された保護膜３６ｂの一部の上には、電気的接続のために信号導線２３のチャンネル外周部２３ｃが積層されている。
【０１２６】
第７実施形態においても、第５及び第６実施形態と同様に、フォトダイオードアレイＰＤＡ３に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。また、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードアレイＰＤＡ３の光検出感度を向上することができる。
【０１２７】
フォトダイオードアレイＰＤＡ３でも、フォトダイオードアレイＰＤＡ１同様、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さない。そのため、フォトダイオードアレイＰＤＡ３でも各光検出チャンネルＣＨのｐｎ接合に対してガードリングを設ける必要がない。これにより、フォトダイオードアレイＰＤＡ３はその開口率を高くすることが可能となる。
【０１２８】
また、開口率を高くすることで、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では検出効率を大きくすることも可能となる。
【０１２９】
また、光検出チャンネルＣＨ間は分離部４０によって分離されているため、クロストークを良好に抑制することが可能となる。
【０１３０】
フォトダイオードアレイＰＤＡ３でも、信号導線２３の読み出し部２３ａが分離部４０の上方に形成されているため、開口率はより一層向上される。さらに、暗電流の抑制にも効果的であると考えられる。
【０１３１】
信号導線２３は、アルミニウムからなるため、例えば酸化膜上に形成された場合、高電圧の印加によってアルミニウムがその下の膜に染みこんでしまうという問題が発生する。こうした問題に対し、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では、信号導線２３は窒化シリコン膜からなる保護膜３６ｂ上に形成されている。そのため、フォトダイオードアレイＰＤＡ３に高電圧を印加したとしても、アルミニウムがその下の膜（保護膜３６ｂ）に染みこむことが抑制される。
【０１３２】
加えて、信号導線２３の読み出し部２３ａの下には、保護膜３６ｂと保護膜３６ａもしくは抵抗２４が積層されている。そのため、高電圧の印加によってアルミニウムが分離部４０及びｐ型半導体層３５に染みこむことが良好に抑制されている。
【０１３３】
このように、フォトダイオードアレイＰＤＡ３では、高電圧を印加した場合であっても、アルミニウムが光検出チャンネルＣＨ及び分離部４０に侵入することが好適に抑制される。
【０１３４】
例えばポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）からなる抵抗２４は保護膜３６ａ上に形成されるとともに、当該抵抗２４上には保護膜３６ｂ及び信号導線２３が形成されている。
【０１３５】
なお、ｎ型半導体層３２の代わりにｐ型の半導体層を用いてもよい。この場合、当該ｐ型の半導体層とｎ＋型の基板部材Ｓ（基板２２）との間でｐｎ接合が構成され、このｐ型の半導体層において増倍部ＡＭが形成されることとなる。
【０１３６】
（第８実施形態）
図３２を参照して、第８実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ４の構成について説明する。図３２は、第８実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ４の断面構成を概略的に示す図である。第８実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ４は、分離部４０を備えていない点で第５実施形態に係るフォトダイオードアレイＰＤＡ１と異なる。
【０１３７】
図３２に示すように、ｐ−型半導体層３３は複数の増倍領域ＡＭを、各増倍領域ＡＭと各光検出チャンネルＣＨとが互いに対応するように有する。各光検出チャンネルＣＨ間には、信号導線２３及び抵抗２４が形成されている。
【０１３８】
第８実施形態においても、第５〜第７実施形態と同様に、フォトダイオードアレイＰＤＡ４に入射した光の走行距離が長くなり、光が吸収される距離も長くなるので、赤色〜近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することができる。また、暗電流を低減できると共に、フォトダイオードアレイＰＤＡ４の光検出感度を向上することができる。
【０１３９】
フォトダイオードアレイＰＤＡ４でも、フォトダイオードアレイＰＤＡ１同様、ガイガーモードで動作させたときにエッジブレークダウンが発生するｐｎ接合の端部（エッジ）を有さない。そのため、フォトダイオードアレイＰＤＡ４でも各光検出チャンネルＣＨのｐｎ接合に対してガードリングを設ける必要がない。これにより、フォトダイオードアレイＰＤＡ４はその開口率を高くすることが可能となる。さらに、フォトダイオードアレイＰＤＡ４は、分離部を有さないことにより、より一層高い開口率を示すことができる。
【０１４０】
また、開口率を高くすることで、フォトダイオードアレイＰＤＡ４では検出効率を大きくすることも可能となる。
【０１４１】
フォトダイオードアレイＰＤＡ４では、信号導線２３の読み出し部２３ａが各光検出チャンネルＣＨ間に形成されているため、開口率はより一層向上される。さらに、暗電流の抑制にも効果的であると考えられる。
【０１４２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【０１４３】
第１〜第４実施形態では、第２主面１ｂの全面にわたって、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成しているが、これに限られない。例えば、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域のみに、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成してもよい。
【０１４４】
第１〜第４実施形態では、電極１５をｎ−型半導体基板１の第１主面１ａ側に形成されたｎ＋型半導体領域５に電気的に接触且つ接続しているが、これに限られない。例えば、電極１５をｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂ側に形成されたアキュムレーション層１１に電気的に接触且つ接続してもよい。この場合、ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域外に、電極１５を形成することが好ましい。ｎ−型半導体基板１の第２主面１ｂにおけるｐ＋型半導体領域３に対向する領域に電極１５を形成すると、第２主面１ｂに形成されている不規則な凹凸１０が電極１５により塞がれ、近赤外の波長帯域における分光感度が低下するという事象が生じるためである。
【０１４５】
第１〜第４実施形態に係るフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４におけるｐ型及びｎ型の各導電型を上述したものとは逆になるよう入れ替えてもよい。
【０１４６】
第５〜第８実施形態において、フォトダイオードアレイに形成される光検出チャンネルの数は、上記実施形態における数（４×４）に限定されない。光検出チャンネルＣＨ間に形成される分離部４０の数も、上記実施形態及び変形例で示した数に限られず、例えば３つ以上であってもよい。また、信号導線２３は、分離部４０の上方に形成されていなくてもよい。抵抗２４も分離部４０の上方に形成されていなくてもよい。また、各層等は、上記実施形態及び変形例で例示したものに限られない。上述したフォトダイオードアレイＰＤＡ１〜ＰＤＡ４におけるｐ型及びｎ型の各導電型を上述したものとは逆になるよう入れ替えてもよい。
【０１４７】
図３３は図２６に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図であり、図３４は図２８に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図であり、図３５は図２９に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図であり、図３６は図３０に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図であり、図３７は図３１に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図であり、図３８は図３２に示した実施形態の層構造の変形例に係るフォトダイオードアレイの断面構成を概略的に示す図である。これらの基本的な平面構成と接続関係は、図２５に示したものと同一である。
【０１４８】
上述のように、図３３から図３８に示した構造では、図２６、図２８、図２９、図３０、図３１、図３２のｐ型半導体層３３又はｐ型半導体層３５に代えて、ｎ型半導体層Ｒ３３又はＲ３５を用いている。この場合、ｐｎ接合は、低濃度のｎ型半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）とｐ型半導体領域３４との界面に形成され、ｐｎ接合から空乏層がｎ型半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）に向けて広がり、空乏層に対応して増倍領域ＡＭがｐｎ接合界面からｎ型半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）に向かって形成されている。他の構造と作用は、上述のものと同一である。
【０１４９】
これらのフォトダイオードアレイＰＤＡ１〜ＰＤＡ４は、被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルＣＨがｎ型半導体層３２を有するｎ型の基板２２に形成されてなる。被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルＣＨが、第１導電型のｎ＋型である半導体層３２（Ｓ）を有する基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、基板２２と、基板２２の第１導電型の半導体層３２上に形成され、被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域ＡＭを当該各増倍領域ＡＭと各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第１導電型のｎ−型であるエピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）と、第１導電型のエピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）中に形成され、当該エピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）との界面でｐｎ接合を構成する第２導電型のｐ＋型である半導体領域３４と、２つの端部を有し、光検出チャンネルＣＨごとに設けられ、一方の端部２４ａを介してエピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）中の第２導電型の半導体領域３４と電気的に接続されると共に他方の端部２４ｂを介して信号導線２３に接続される複数の抵抗２４とを備えている。
【０１５０】
抵抗２４は、図２５に示したように、一方の端部２４ａ及びチャンネル外周部２３ｃを介して光検出チャンネルＣＨごとに設けられており、他方の端部２４ｂ及び接続部２３ｂを介して読み出し部２３ａに接続される。同一の読み出し部２３ａに接続される複数の抵抗２４は、当該読み出し部２３ａに対して接続される。
【０１５１】
これらのフォトダイオードアレイでは、ｐｎ接合は、基板上の第１導電型のエピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）と当該エピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）中に形成された第２導電型の半導体領域３４とによって構成されている。また、増倍領域ＡＭはｐｎ接合が実現されているエピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）に形成され、各光検出チャンネルに対応する増倍領域ＡＭはこのエピタキシャル半導体層Ｒ３３（又はＲ３５）にある。
【産業上の利用可能性】
【０１５２】
本発明は、半導体光検出素子及び光検出装置に利用できる。
【符号の説明】
【０１５３】
１…ｎ−型半導体基板、１ａ…第１主面、１ｂ…第２主面、３…ｐ＋型半導体領域、５…ｎ＋型半導体領域、１０…不規則な凹凸、１１…アキュムレーション層、１３，１５…電極、２２…基板、２３…信号導線、２４…抵抗、２５…電極パッド、３１…絶縁膜、３２…ｎ＋型半導体層、３３…ｐ−型半導体層、３４…ｐ＋型半導体領域、３５…ｐ型半導体層、３６…保護膜、４０…分離部、４２…遮光部、ＡＭ…増倍領域、ＣＨ…光検出チャンネル、Ｓ…基板部材、ＰＬ…パルスレーザ光、ＰＤ１〜ＰＤ４…フォトダイオード、ＰＤＡ１〜ＰＤＡ４…フォトダイオードアレイ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルが第１導電型の半導体層を有するシリコン基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、
第１導電型の前記半導体層上に形成され、当該半導体層との界面でｐｎ接合を構成するとともに、前記被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域を当該各増倍領域と前記各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第２導電型のエピタキシャル半導体層と、
２つの端部を有し、前記光検出チャンネルごとに設けられ、一方の前記端部を介して前記エピタキシャル半導体層と電気的に接続されると共に他方の前記端部を介して信号導線に接続される複数の抵抗と、を備え、
第１導電型の前記半導体層における少なくとも前記各光検出チャンネルに対応する表面に不規則な凹凸が形成されており、
第１導電型の前記半導体層における少なくとも前記各光検出チャンネルに対応する前記表面は、光学的に露出し、
不規則な前記凹凸が形成された前記表面が光入射面とされて、不規則な前記凹凸が形成された前記表面から入射した光が前記シリコン基板内を進む、裏面入射型であることを特徴とするフォトダイオードアレイ。
【請求項２】
被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルが第１導電型の半導体層を有するシリコン基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、
第１導電型の前記半導体層上に形成され、前記被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域を当該各増倍領域と前記各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第１導電型のエピタキシャル半導体層と、
前記第１導電型のエピタキシャル半導体層中に形成され、当該エピタキシャル半導体層との界面でｐｎ接合を構成する第２導電型の半導体領域と、
２つの端部を有し、前記光検出チャンネルごとに設けられ、一方の前記端部を介して前記エピタキシャル半導体層中の前記第２導電型の半導体領域と電気的に接続されると共に他方の前記端部を介して信号導線に接続される複数の抵抗と、を備え、
第１導電型の前記半導体層における少なくとも前記各光検出チャンネルに対応する表面に不規則な凹凸が形成されており、
第１導電型の前記半導体層における少なくとも前記各光検出チャンネルに対応する前記表面は、光学的に露出し、
不規則な前記凹凸が形成された前記表面が光入射面とされて、不規則な前記凹凸が形成された前記表面から入射した光が前記シリコン基板内を進む、裏面入射型であることを特徴とするフォトダイオードアレイ。
【請求項３】
第１導電型の前記半導体層における前記複数の光検出チャンネルの間に対応する表面は、不規則な凹凸が更に形成されていると共に、光学的に露出していることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項４】
前記シリコン基板は、複数の光検出チャンネルが形成されている部分が該部分の周辺部分を残して薄化されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項５】
第１導電型の前記半導体層の厚みが、不規則な前記凹凸の高低差よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項６】
不規則な前記凹凸が形成された前記表面から入射する光が、不規則な前記凹凸により散乱されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項７】
不規則な前記凹凸が形成された前記表面から入射し、前記シリコン基板内を進む光が、不規則な前記凹凸により反射、散乱、又は拡散されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項１】
被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルが第１導電型の半導体層を有するシリコン基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、
第１導電型の前記半導体層上に形成され、当該半導体層との界面でｐｎ接合を構成するとともに、前記被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域を当該各増倍領域と前記各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第２導電型のエピタキシャル半導体層と、
２つの端部を有し、前記光検出チャンネルごとに設けられ、一方の前記端部を介して前記エピタキシャル半導体層と電気的に接続されると共に他方の前記端部を介して信号導線に接続される複数の抵抗と、を備え、
第１導電型の前記半導体層における少なくとも前記各光検出チャンネルに対応する表面に不規則な凹凸が形成されており、
第１導電型の前記半導体層における少なくとも前記各光検出チャンネルに対応する前記表面は、光学的に露出し、
不規則な前記凹凸が形成された前記表面が光入射面とされて、不規則な前記凹凸が形成された前記表面から入射した光が前記シリコン基板内を進む、裏面入射型であることを特徴とするフォトダイオードアレイ。
【請求項２】
被検出光を入射させる複数の光検出チャンネルが第１導電型の半導体層を有するシリコン基板に形成されてなるフォトダイオードアレイであって、
第１導電型の前記半導体層上に形成され、前記被検出光の入射によって生じたキャリアをアバランシェ増倍させる複数の増倍領域を当該各増倍領域と前記各光検出チャンネルとが互いに対応するように有する第１導電型のエピタキシャル半導体層と、
前記第１導電型のエピタキシャル半導体層中に形成され、当該エピタキシャル半導体層との界面でｐｎ接合を構成する第２導電型の半導体領域と、
２つの端部を有し、前記光検出チャンネルごとに設けられ、一方の前記端部を介して前記エピタキシャル半導体層中の前記第２導電型の半導体領域と電気的に接続されると共に他方の前記端部を介して信号導線に接続される複数の抵抗と、を備え、
第１導電型の前記半導体層における少なくとも前記各光検出チャンネルに対応する表面に不規則な凹凸が形成されており、
第１導電型の前記半導体層における少なくとも前記各光検出チャンネルに対応する前記表面は、光学的に露出し、
不規則な前記凹凸が形成された前記表面が光入射面とされて、不規則な前記凹凸が形成された前記表面から入射した光が前記シリコン基板内を進む、裏面入射型であることを特徴とするフォトダイオードアレイ。
【請求項３】
第１導電型の前記半導体層における前記複数の光検出チャンネルの間に対応する表面は、不規則な凹凸が更に形成されていると共に、光学的に露出していることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項４】
前記シリコン基板は、複数の光検出チャンネルが形成されている部分が該部分の周辺部分を残して薄化されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項５】
第１導電型の前記半導体層の厚みが、不規則な前記凹凸の高低差よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項６】
不規則な前記凹凸が形成された前記表面から入射する光が、不規則な前記凹凸により散乱されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項７】
不規則な前記凹凸が形成された前記表面から入射し、前記シリコン基板内を進む光が、不規則な前記凹凸により反射、散乱、又は拡散されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のフォトダイオードアレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−６５９１１（Ｐ２０１３−６５９１１Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−６０６８（Ｐ２０１３−６０６８）
【出願日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【分割の表示】特願２００９−１３６４１９（Ｐ２００９−１３６４１９）の分割
【原出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【分割の表示】特願２００９−１３６４１９（Ｐ２００９−１３６４１９）の分割
【原出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]