半导体光检测器的制造方法
半导体光检测器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体光检测器，尤其涉及一种检测微弱的光的半导体光检测器。
【背景技术】
[0002]近年来，在医疗、生物、放射线测量等各种领域中，需要对甚至I光子的微弱光进行准确测量的光检测器。目前，作为检测微弱光的光检测器，广泛利用光电倍增管(Photomultiplier Tube:PMT)。但是，作为真空管器件的PMT，其一个的大小最小也为1mmX 1mm左右，因此难以进行多像素化。另外，为了使用PMT进行二维成像，需要在XY面内扫描被摄体，收集被摄体的各点的信息后进行图像化。因此，难以实时地拍摄被摄体。其中，为了同时实现检测微弱光的光检测器的多像素化和高速化，需要使光检测器为固体元件。
[0003]作为一种检测微弱光的光检测器，提出了利用雪崩光电二极管(AvalanchePhotod1de:APD)的光子计数型的光检测器。该光检测器对射入APD的光子进行计数，将计数结果作为数字值的信号传输到像素之外。
[0004]例如，如专利文献I所记载的那样，光子计数型的光检测器的构造是，将多个APD排列为阵列状，该多个APD连接有负载电阻，被施加了比击穿电压稍低、或者击穿电压以上的高电压。在该光检测器中，根据如下所示的动作原理，如果对Aro射入I个光子，则产生脉冲信号，通过该脉冲信号，计数器的计数值增加I。由此，对射入APD的光子进行计数。
[0005]下面对APD的动作原理简单地进行说明。
[0006]如果光子射入APD，则产生电子-空穴对。产生的电子和空穴中的一者或两者由在APD内部产生的电场进行加速，与晶格发生碰撞而产生新的电子-空穴对，上述电场对应于在Aro两端施加的电压而产生。该现象称为碰撞离化。通过反复发生该碰撞离化，从而对电荷进行倍增。
[0007]APD中有线性模式和盖革模式这两种动作模式。
[0008]线性模式是如下动作模式，即，使对APD施加的电压略低于APD的击穿电压，仅电子和空穴中的一者发生碰撞离化。在线性模式中，以有限的次数发生碰撞离化，因此输出的电流与入射光子数成比例。
[0009]盖革模式是如下动作模式，S卩，使对APD施加的电压在APD的击穿电压以上，由电子和空穴双方发生碰撞离化。在盖革模式下，电子和空穴双方雪崩式地反复发生碰撞离化，输出的电流急剧增加。因此，通常，为了使器件不受到破坏，将负载电阻与APD串联连接使用。在此情况下，如果较大的电流流过负载电阻，则在负载电阻的两端产生电压，与所产生的电压的量相应地，对APD的两端施加的电压下降。在AH)两端的电压大幅低于击穿电压时，碰撞离化停止，输出的电流也瞬时衰减。因此，在盖革模式下，输出的电流成为脉冲信号，从APD输出的电流值与入射光子数不成比例。
[0010]专利文献I中记载的光检测器使用盖革模式的APD。
[0011]现有技术文献
[0012]专利文献
[0013]专利文献1:美国专利第7262402号说明书
【发明内容】
[0014]在APD中，不仅由于光子的入射而生成的电荷发生倍增，由于热激发等、光子入射以外的原因而生成的电荷也发生倍增，成为暗噪声的原因。现有的光子计数型的光检测器使用高倍增率的盖革模式APD，因此暗噪声极其大。因此，存在如下课题，即，仅通过I次检测，无法将由于光子入射而生成的电荷所产生的信号和暗噪声加以区分，通过信号(S)与噪声(N)之比得到的S/N比明显较低。
[0015]另外，由APD的倍增产生的电流是在电荷与晶格碰撞的过程中产生的随机现象的产物，因此产生由散粒噪声(shot noise)引起的倍增噪声。盖革模式APD以高倍增率(通常是15倍以上)动作，因此倍增噪声与倍增率相应地变大。
[0016]在盖革模式APD中，按照与光源同步的检测电路的采样次数，对数据进行累计，由此，与利用I次的数据进行的检测相比，能够改善S/N比。但是，该方法需要使光源的发光定时与信号检测的定时进行同步，因此在随机光的检测(例如放射线测量等)中无法进行利用。为了能够进行随机光的检测，需要将作为随机噪声的、器件的暗电流产生抑制为最小限度。
[0017]本发明针对上述课题，提供一种半导体光检测器，通过与以往相比大幅减小暗噪声和倍增噪声，从而能够检测包含随机光在内的微弱光。
[0018]为了解决上述课题，本发明的一个方式所涉及的半导体光检测器至少具有I个单位像素，该单位像素具有光电变换部、电荷积蓄部、以及检测电路。电荷积蓄部对入射光进行光电变换，并且具有通过雪崩倍增对电荷进行倍增的电荷倍增区域。电荷积蓄部与光电变换部连接，积蓄来自光电变换部的信号电荷。检测电路与电荷积蓄部连接，将电荷积蓄部中积蓄的信号电荷变换为电压，通过放大部进行放大后输出。
[0019]根据本发明，能够实现一种半导体光检测器，通过将倍增噪声和暗电流噪声抑制为最小限度，从而能够检测包含随机光在内的微弱光。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的第I实施方式所涉及的半导体光检测器的单位像素的剖视图。
[0021]图2是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的单位像素的剖视图与俯视图(部分透视图)的关系的图。
[0022]图3是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的等效电路的图。
[0023]图4是第I实施方式所涉及的光检测器的集成化的概念图。
[0024]图5是表示第I实施方式所涉及的像素分离的电位形状的图。
[0025]图6是表示第I实施方式所涉及的第I检测电路的结构例的电路图。
[0026]图7是第I实施方式所涉及的第I检测电路的时序图。
[0027]图8是表示第I实施方式所涉及的第2检测电路的结构例的电路图。
[0028]图9是第I实施方式所涉及的第2检测电路的时序图。
[0029]图10是第I实施方式所涉及的复位电路部的结构图。
[0030]图11是第I实施方式所涉及的运算电路部的逻辑电路图。
[0031]图12A是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0032]图12B是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0033]图12C是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0034]图12D是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0035]图12E是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0036]图12F是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0037]图12G是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0038]图12H是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0039]图121是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0040]图13是本发明的第2实施方式所涉及的半导体光检测器的单位像素的剖视图。
[0041]图14是表示第2实施方式所涉及的半导体光检测器的等效电路的图。
【具体实施方式】
[0042]下面，参照附图对本发明所涉及的实施方式具体进行说明。对实质上相同的结构标注相同的标号，有时省略说明。此外，本发明不限定于以下实施方式。此外，如果没有技术上的矛盾，则可以对不同实施方式所涉及的结构彼此进行组合。
[0043]第I实施方式
[0044]首先，参照图1和图2对本发明的第I实施方式所涉及的半导体光检测器的单位像素的构造进行说明。此外，图2为了明确示出俯视图中的本实施方式所涉及的半导体光检测器的配置，采用了部分透视图。此外，在本说明书中，“俯视”是指从光电变换部101的受光面的法线方向观察。
[0045]本实施方式所涉及的半导体光检测器100在半导体基板21上以矩阵状配置有多个单位像素。多个单位像素分别具有光电变换部101和检测电路部201，光电变换部101和检测电路部201通过接合部301进行电连接。
[0046]首先，对光电变换部101进行说明。
[0047]光电变换部101具有p_型的半导体层11，该半导体层11具有入射光入射侧的第I表面SI和与第I表面SI相对的第2表面S2。此外，光电变换部101在半导体层11内具有P+型的第I半导体部12、n +型的第2半导体部13、p型的第3半导体部14、以及η -型的第4半导体部15。设P型为第I导电类型，η型为第2导电类型。
[0048]第I半导体部12配置在半导体层11的第I表面SI侧，构成正极。第I半导体部12形成于第I表面SI的整个表面，跨越多个单位像素而形成。
[0049]第2半导体部13配置在半导体层11的第2表面S2侧的一部分处，构成负极。第2半导体部13在每个单位像素中形成，相邻的单位像素的第2半导体部13彼此相互分离。
[0 050]第3半导体部14位于半导体层11的内部，配置为在俯视时与第2半导体部13重叠。第3半导体部14在每个单位像素中形成，相邻的单位像素的第3半导体部14彼此相互分离。在本实施方式中，在俯视时，第2半导体部13形成得比第3半导体部14大。由此，能够减少信号泄漏至相邻的单位像素的现象。
[0051]第4半导体部15配置在第2表面S2侧，并且配置在未配置第2半导体部13的区域。第4半导体部15是将相邻的单位像素的第2半导体部13彼此分离的部件。
[0052]此外，光电变换部101具有保护氧化膜16、电极17 (设为第I电极)、层间绝缘膜18、第I接触插塞19、以及第I像素电极20。
[0053]保护氧化膜16配置在第I半导体部12的入射光入射侧的表面上。即，保护氧化膜16配置在半导体层11的第I表面SI上。
[0054]电极17配置在第I表面SI上，并且配置在未配置保护氧化膜16的区域中。电极17与第I半导体部12电连接，配置为格子状，从而以像素为单位分离保护氧化膜16。
[0055]层间绝缘膜18配置为与第2半导体部13及第3半导体部14相接。S卩，层间绝缘膜18配置在半导体层11的第2表面S2上。第I像素电极20 (设为第2电极)配置在层间绝缘膜18之上，通过配置在层间绝缘膜18内的第I接触插塞19与第2半导体部13电连接。第I像素电极20和第I接触插塞19在每个单位像素中形成。
[0056]第4半导体部15作为对相邻的单位像素进行分离的像素分离区域起作用。S卩，第4半导体部15对相邻的第2半导体部13进行分离。作为本实施方式的变形例，也可以采用如下构造，即，代替第4半导体部15而设置绝缘部的构造。在此情况下，绝缘部例如能够使用在CMOS LSI中使用的浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolat1n)等。
[0057]作为本实施方式的变形例，也可以将第4半导体部15的导电类型设为与第2半导体部13不同的导电类型而实现像素分离。具体而言，可以将第4半导体部15的导电类型设为P型或P_型。
[0058]电极17例如由主要包含铝(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)中的任一者的金属构成。第I接触插塞19例如由包含钨(W)的金属构成。
[0059]第I半导体部12的杂质浓度高于第3半导体部14的杂质浓度。另外，第3半导体部14的杂质浓度高于半导体层11的杂质浓度。根据该结构，能够仅在单位像素内的有效区域中选择性地形成雪崩倍增区域(电荷倍增区域)AM，因此能够仅对所需的电荷进行倍增。具体而言，能够在第3半导体部14与第2半导体部13之间形成电荷倍增区域AM。
[0060]下面，对检测电路部201进行说明。
[0061]检测电路部201具有P型的半导体基板21、n_型的电荷积蓄部22、第2像素电极23、第2接触插塞24、以及布线层间膜25。电荷积蓄部22配置在p型的半导体基板21内，积蓄来自光电变换部101的信号电荷。布线层间膜25配置在半导体基板21的光电变换部101侧的表面上。第2像素电极23配置在布线层间膜25的光电变换部101侧的表面上。第2接触插塞24配置在布线层间膜25内，对电荷积蓄部22和第2像素电极23进行电连接。布线层间膜25由绝缘膜构成。检测电路部201具有由后述的复位电路部60、放大部50构成的检测电路(在图1、图2中省略)。
[0062]第2像素电极23例如由主要包含Al、Cu、Ti中的任一者的金属构成。第2接触插塞24例如由主要包含W的金属构成。在图1中，电荷积蓄部22的光电变换部101侧的表面是与半导体基板21的光电变换部101侧的表面相同的平面。与此相对，也可以将电荷积蓄部22埋入半导体基板21内部而配置为不与布线层间膜25接触。在此情况下，抑制在布线层间膜25与电荷积蓄部22的界面处产生的暗电流的产生。作为将电荷积蓄部22埋入半导体基板21的内部的方法，有下述方法，即，在电荷积蓄部22与第2接触插塞24接触的区域以外的半导体基板21的表面中，注入与在电荷积蓄部22中注入的杂质的导电类型相反的杂质(在本实施方式中是P型的杂质)。另外，光电变换部101的第2半导体部13被配置为在俯视时与第2像素电极23重叠。
[0063]下面，对接合部301进行说明。
[0064]接合部301对光电变换部101和检测电路部201进行电连接。接合部301具有接合凸点金属31、光电变换部101侧的第I接合基层金属32、以及检测电路部201侧的第2接合基层金属33。接合凸点金属31例如由锡(Sn)和银(Ag)的合金构成。由于该合金的熔点低至220°C以下，所以能够在低温下对光电变换部101和检测电路部201进行接合。因此，在接合时，光电变换部101和检测电路部201不易受到温度的不良影响。另外，接合凸点金属31也可以由包含Au的合金构成。由于该合金能够通过镀敷法、蒸镀法等容易地形成窄间距的凸点，所以适于进行具有窄间距的像素排列的、光电变换部101和检测电路部201的接合。
[0065]另外，由光电变换部101、检测电路部201、以及接合部301包围的空间由树脂34填满。在该空间由树脂34填满的情况下，与该空间未被填满的情况相比，增强半导体光检测器100的强度。此外，该空间也可以不由树脂34等填满。
[0066]下面，对由半导体光检测器100进行的入射光的读出进行说明。
[0067]如果由第2半导体部13和第3半导体部14所夹持的区域的电场强度达到规定值以上，则产生电荷倍增区域AM。该规定值根据材料、第2半导体部13与第3半导体部14的距离、以及对APD施加的电压而发生变化。例如，在半导体层11的材料是硅，该距离约为0.5 μ??的情况下，如果对电极17施加20V的电压，则电荷倍增区域AM的电场强度达到约4X105V/cmo该规定值略低于击穿电压，APD以线性模式动作，在该电场强度下，仅电子发生雪崩倍增。
[0068]从光电变换部101的上方入射的光子hv穿过保护氧化膜16和第I半导体部12到达半导体层11，在此被吸收而产生电荷(电子-空穴对)。产生的电荷中的电子向电荷倍增区域AM移动，发生雪崩倍增。产生的倍增电子经由第2半导体部13向检测电路部201侧输出。另一方面，产生的电荷中的空穴不倍增，经由电极17排出。
[0069]如上述所示，在本实施方式中，在电荷倍增区域AM内倍增的电荷仅仅是电子，与作为信号电荷的电子朝相反方向移动的空穴不倍增。因此，能够抑制通过电荷与晶格发生碰撞而产生的新的电子-空穴对的空间上和时间上的波动，减少倍增噪声。在更换导电类型，倍增的电荷仅为空穴的情况下，也同样能够减少倍增噪声。
[0070]第3半导体部14被配置为在俯视时与第4半导体部15不重叠。根据该结构，能够防止在像素分离区域中产生电荷倍增区域AM，抑制在第4半导体部15与层间绝缘膜18的界面处产生的暗电流的倍增。
[0071]在第2半导体部13与层间绝缘膜18的界面、以及第4半导体部15与层间绝缘膜18的界面处产生的、成为暗电流的原因的电子不由电荷倍增区域AM倍增地移动至电荷积蓄部22之后，利用从后述的复位电路部60输出的复位脉冲信号而定期排出。
[0072]在第2半导体部13与层间绝缘膜18的界面处产生的、成为暗电流的原因的空穴与第2半导体部13的多数载流子即电子重新结合而消失。此外，在第4半导体部15与层间绝缘膜18的界面处产生的、成为暗电流的原因的空穴不倍增地经由电极17排出。这样，成为暗电流的原因的电子和空穴均不倍增地消失或排出，因此噪声得到抑制。
[0073]此外，在本实施方式中采用了所谓的电子读出方式，S卩，将光电变换部101产生的电子-空穴对中的电子作为信号电荷读出。但是，在本实施方式中，也能够采用所谓的空穴读出方式，即，通过将P型置换为η型，并且将η型置换为P型，改变电压条件，从而将空穴作为信号电荷读出。
[0074]如图2所不，电极17在第I半导体部12的入射光的入射侧的表面上配置为格子状。因此，电极17能够以不妨碍光的入射的方式对像素区域整体供给外部电源电压。设电极17的线宽为WL，俯视时的单位像素的一边为WG，例如，若1/30 ( WL/WG ( 1/5，则能够确保足够的受光量，并且对像素区域整体供给足够的外部电源电压。例如，在WL/WG= 1/10时，每单位像素的开口率达到81%，因此得到足够的受光量。如果电极17的材料采用具有遮光性的材料，则电极17具有遮光功能，能够减少与相邻的单位像素的混色。
[0075]此外，也可以将电极17配置于光电变换部101的入射光侧的整个表面。在此情况下，电极17使用透光的透明导电膜，不需要保护氧化膜16。透明导电膜例如由ITO(IndiumTin Oxide，铟锡氧化物)构成。
[0076]根据这些结构，能够以不妨碍光的入射的方式对像素区域整体供给外部电源电压。
[0077]下面，使用图3对本实施方式所涉及的半导体光检测器100的信号检测的方式进行说明。图3是本实施方式所涉及的半导体光检测器100的等效电路图。图3的Aro和电荷积蓄部C分别相当于图1中的光电变换部10 1和电荷积蓄部22。
[0078]如果光射入APD，则在APD内部产生信号电荷，与此相应，流过倍增电流i。在电荷积蓄部22中积蓄Q = J idt的电荷。增加的信号电荷Q作为由电荷积蓄部22的容量C表示的电压变化量V。= Q/C被检测出来。如果利用微细加工技术制成容量C较小的电荷积蓄部22，则能够增大电压变化量V。。
[0079]例如，如果设半导体光检测器100的单位像素大小为25 μπιΧ25 μπι，电荷积蓄部22的大小为ΙΟμπιΧΙΟμπι，厚度(与光电变换部101的受光面垂直的方向上的一边的长度)为I μ m，则电容器容量C约为10fF。在由小于击穿电压Vbd的电压进行驱动的线性模式动作中，如果设APD的倍增率为100倍，则I个光子入射而生成信号电荷并倍增后的电荷量为Q = 1.6 X 10_17 [C]。这样，电荷积蓄部22中的电压变化量作为可检测的值输出为V。=Q/C = 1.6 [mV]。如上述所示，通过使用容量负载型的检测电路检测来自APD的信号电荷Q，即便是比专利文献I所示的进行盖革模式动作的APD更低的电压驱动，也能够检测出微弱光，能够大幅减少暗噪声和倍增噪声。
[0080]下面，使用图4对本实施方式所涉及的半导体光检测器100的集成化进行说明。如图4所示，在本实施方式所涉及的半导体光检测器100中，光电变换部101和检测电路部201被配置在不同的层中。即，单位像素具有将光电变换部101层积在检测电路部201上的构造，具有这种构造的单位像素排列为矩阵状。在该结构中，检测电路部201中包含的电荷积蓄部、输出电路可以不配置在像素区域之外，因此能够增大像素区域的面积。换言之，由于检测电路部201被光电变换部101所层积，所以与检测电路部201和光电变换部101位于同一平面的情况相比，能够减小半导体光检测器100的面积。
[0081]另外，通过对相邻的多个单位像素的光检测数据进行累计，从而对信号(S)和噪声(N)电平分别进行平均化，还能够相对地补偿S/N比。因此，在对I个光检测器进行扫描的现有技术中进行的、取得与光源的同步并补偿S/N比的动作是不需要的。即，本实施方式所涉及的半导体光检测器100还能够实现随机光的检测。
[0082]下面，使用图5对本实施方式所涉及的半导体光检测器100的像素分离的电位形状进行说明。如图5所示，在本实施方式中，利用第2半导体部13与第4半导体部15的电位差实现像素分离。第2半导体部13的杂质浓度优选为第4半导体部15的杂质浓度的10倍以上且14倍以下。更优选地，第2半导体部13的杂质浓度为第4半导体部15的杂质浓度的12倍以上且10 3倍以下。
[0083]例如，如果设第2半导体部13的n+型的杂质浓度为10 19[/cm3]、第4半导体部15的rT型的杂质浓度为10 17 [/cm3]，则电位差在室温下为AV = kTln(n+/rT) =120[mV]。在此，k是玻尔兹曼常数，T是温度。另一方面，如果设射入单位像素的光子数为I光子/帧，APD的倍增率为100倍，则倍增后的信号电荷QSQ= 1.6X 10_17[C]。如果设APD的接合容量G为10 [fF]，则由信号电荷Q产生的电压变化为V。= Q/Cj= 1.6 [mV]，因此，由信号电荷Q产生的电压变化V。与电位壁皇相比是非常小的值。因而，信号电荷Q不会越过电位壁皇而向相邻的单位像素漏出，因此可抑制混色的产生。
[0084]在第2半导体部13和第4半导体部15是不同的导电类型的情况下，例如，第2半导体部13可以与上述实施方式同样，采用杂质浓度为119[/cm3]的n+型，第4半导体部15可以采用杂质浓度为1017[/cm3]的P型。
[0085]下面，使用图6?图11对本实施方式所涉及的半导体光检测器100的检测电路进行说明。
[0086]图6是表示本实施方式所涉及的第I检测电路的结构例的电路图。在图6中，各单位像素除了具有光电变换部Aro和电荷积蓄部C以外，还具有复位晶体管RT、选择晶体管SL、放大晶体管SF、以及电流负载晶体管LG。放大晶体管SF和电流负载晶体管LG构成将信号电荷变换为电压并进行检测的源输出型的放大部50。
[0087]在图6所示的电路中，如果光射入APD，则在APD内部产生电荷，与此相应，在电荷积蓄部C中积蓄信号电荷。信号电荷通过源输出型的放大部50放大后输出。
[0088]此外，在图6中，将电流负载晶体管LG配置在像素内，但也可以采用将电流负载晶体管LG与像素外的列信号线64的一端连接的结构。
[0089]下面，使用图6的电路图和图7的时序图对图6的电路图的动作进行说明。
[0090]首先，在时刻^通过将控制信号Vm变为高电平，从而将复位晶体管RT设为接通状态。由此，电荷积蓄部C的电荷被排出至Vdd并复位。此时，将选择晶体管SL设为断开状态。设该时刻t(!为I帧的开始时间。
[0091]在时刻h至时刻t2的曝光期间中，如果由于光子的入射以外的原因产生电荷，则在电荷积蓄部C中积蓄噪声成分的电荷，电压变化量Vc—点一点地增加。在时刻至时刻t2的曝光期间中，如果在时刻t i入射光子而产生信号SIG1，则电荷积蓄部C的积蓄电荷瞬时增加，因此电压变化量^也增加。在图7的时序图中，示出在I帧期间内又入射2次光子而产生了信号SIG2和信号SIG3的例子。
[0092]接着，在时刻t2，通过将选择晶体管SL设为接通状态，从而通过由放大晶体管SF和负载晶体管LG构成的放大部50，将由在电荷积蓄部C中积蓄的信号电荷产生的电压变化量V。作为输出信号进行读出。
[0093]然后，在时刻t3，通过将选择晶体管SL设为断开状态，将复位晶体管RT设为接通状态，从而对电压变化量Vc进行复位。通过以上动作，I帧期间完成。
[0094]在本实施方式中，能够通过使用积蓄容量C较小的电荷积蓄部，来形成电荷-电压变换效率较高的检测电路，因而无需使对APD施加的电压变得极高以提高倍增率。在本实施方式中，将对APD施加的电压设为比APD的击穿电压略低的电压，以线性模式进行动作。在此情况下，与以盖革模式动作的情况相比，能够大幅减小APD的暗噪声和倍增噪声，提高S/N 比。
[0095]下面，使用图8?图11对本实施方式所涉及的第2检测电路的结构例进行说明。图8是表示第2检测电路的结构例的电路图。在图8中，各单位像素具有光电变换部APD、电荷积蓄部C、复位晶体管RT、选择晶体管SL、放大晶体管SF、电流负载晶体管LG、复位电路部60、比较器61、以及计数器63。
[0096]放大晶体管SF和电流负载晶体管LG构成将信号电荷变换为电压并进行检测的源输出型的放大部50。复位晶体管RT和复位电路部60构成噪声抑制电路，该复位电路部60生成用于排出电荷积蓄部C中积蓄的电荷的复位信号。
[0097]比较器61对来自电荷积蓄部C的输出值设置阈值。计数器63设置在比较器61的后段，对来自比较器61的输出值进行计数。
[0098]根据上述结构，能够利用噪声抑制电路消除由热激发等、光子入射以外的原因生成的噪声电荷，由此能够实现S/N比的改善。另外，通过在放大部50的后段具备比较器61和计数器63，从而能够通过计数器63作为数字值对来自比较器61的输出值进行计数。
[0099]复位晶体管RT的栅极连接有OR电路。OR电路如果被输入来自复位电路部60的控制信号Vkt2和来自复位控制线68的控制信号Vm中的任一者，则对复位晶体管RT进行驱动。复位电路部60如果检测到来自比较器61的信号Vsig，则停止控制信号Vkt2的输出，停止复位晶体管RT的复位动作。或者，复位电路部60的控制也能够不使用来自比较器61的信号，而使用计数器63的信号。来自计数器63的N比特的输出信号经由选择晶体管SL被输出至列信号线64。列信号线64与配置在相同列的单位像素共同连接。
[0100]此外，还有将各像素的计数器63的N比特的输出信号使用移位寄存器依次传送至输出部的方法。
[0101]在图8中，将计数器63配置在像素内，但也可以采用将其与像素外的列信号线64的一端连接的结构。
[0102]下面，使用图8的电路图和图9的时序图对图8的电路图的动作进行说明。
[0103]复位电路部60以时间间隔At,输出脉冲信号，该时间间隔At,以比检测对象的光子的典型的入射间隔AtP1、Atp2短的方式适当进行设定。将时间间隔At,设定为如下间隔，即，由电荷积蓄部C中积蓄的噪声电荷产生的输出值不超过由比较器61设置的阈值。在此情况下，复位电路部60在未接收来自比较器61的信号的期间中，以时间间隔对复位晶体管RT反复输出复位脉冲信号。由此，定期地排出电荷积蓄部C中积蓄的、由光子入射以外的原因产生的电荷。
[0104]首先，在时刻h，通过将控制信号Vm变为高电平，从而将复位晶体管RT设为接通状态(第I复位动作)。此时，将选择晶体管SL设为断开状态。设该时刻h为I帧的开始时间。在无光子入射的期间内，通过将来自复位电路部60的控制信号Vkt2定期变为高电平，从而使电荷积蓄部C定期地排出所积蓄的电荷(第2 复位动作)。S卩，在未接收来自比较器61的信号Vsig的期间内，利用第2复位动作对电荷积蓄部C反复进行复位，因此，能够定期地排出通过暗电流等积蓄的噪声电荷，能够提高S/N比。其结果是，在对I个光检测器进行扫描的现有技术中进行的、取得与光源的同步并补偿S/N比的动作是不需要的，还能够精度良好地实现随机光的检测。
[0105]接着，如果在时刻h入射光子而产生信号SIGl，则电荷积蓄部C的积蓄电荷瞬时增加，因此电压变化量^也增加。如果V。的值超过阈值V Mf，则比较器61输出规定的电压信号Vsig。
[0106]复位电路部60在接收来自比较器61的信号Vsig的期间内，停止定期输出的控制信号Vkt2，将电荷积蓄部C中积蓄的电荷的排出停止期间Tl。在该期间Tl中，计数器63对来自比较器61的信号Vsig进行计数。与该计数同时，复位电路部60接收来自计数器63的信号Vmt。复位电路部60在对信号Vsig进行接收的期间结束的同时，重新开始控制信号V ET2的输出，由此，复位晶体管RT重新开始电荷积蓄部C中积蓄的电荷的排出。
[0107]上述动作在I帧内的曝光期间中反复进行。在本实施方式所涉及的图9的时序图中，不出在I帧期间内又入射2次光子而产生了信号SIG2和信号SIG3的例子。
[0108]接着，在时刻t2，通过将选择晶体管SL设为接通状态，从而将从计数器63输出的数字信号传送至列信号线64。此时，既可以如图9所示通过将控制信号Vm变为高电平，从而将复位晶体管RT设为接通，也可以使控制信号Vm保持低电平。
[0109]在时刻t3，通过将选择晶体管SL设为断开状态，从而对计数值进行复位。通过以上动作，I帧期间完成。此时，通过将控制信号Vm变为高电平，从而还将复位晶体管RT设为接通。然后，下一个I帧期间开始。
[0110]如上述所示，在本实施方式所涉及的第2检测电路的结构例中，进行第I复位动作和第2复位动作。第I复位动作与第I期间(传送期间:t2?13)的结束同时地对电荷积蓄部C进行复位，该第I期间进行来自放大部50的输出信号的读出。第2复位动作以比该第I期间短的间隔对电荷积蓄部C反复进行复位，在光子入射后的一定期间中，停止该反复复位。
[0111]根据该结构，在信号电荷不产生的期间中，对电荷积蓄部C反复进行复位，因此能够防止由光子入射以外的原因产生的电荷的积蓄。
[0112]此外，在半导体光检测器100中，复位电路部60在接收来自比较器61的信号的期间中，可以停止向复位晶体管RT的脉冲信号的输出。根据该结构，能够防止在来自比较器61的输出值被计数器63计数之前，信号电荷被复位。
[0113]此外，在半导体光检测器100中，复位电路部60也可以与从计数器63接收信号Vmt同时，开始向复位晶体管RT的控制信号Vkt2的输出。根据该结构，能够提前重新开始第2复位动作。
[0114]图10是本实施方式所涉及的复位电路部60的结构图。复位电路部60具有脉冲产生电路部81、运算电路部82、以及控制晶体管SW1。脉冲产生电路部81生成脉冲信号。运算电路部82对从脉冲产生电路部81输出脉冲信号的期间进行运算。控制晶体管SWl将来自运算电路部82的输出值V-作为输入电压。运算电路部82将来自比较器61的输出信号Vsig和来自计数器63的输出信号V mt作为输入，将其运算结果作为输出值V wt输出至控制晶体管SWl。
[0115]图11是运算电路部82的逻辑电路图。将Vsig和V。?,这2个信号作为输入值，以图11所示的方式连接INV电路和OR电路。
[0116]根据该结构，在未接收来自比较器61的信号Vsig和来自计数器63的信号Vent双方的期间内，即在光入射不存在的期间内，控制晶体管SWl变为接通状态，由脉冲产生电路部81生成的控制信号Vkt2以脉冲状对复位晶体管RT反复输出。
[0117]接着，如果在来自计数器63的信号Vmt不存在的状态下接收来自比较器61的信号Vsig，则控制晶体管SWl变为断开状态，来自复位电路部60的控制信号Vkt2的输出停止。
[0118]接着，如果在接收了来自比较器61的信号Vsig的状态下接收来自计数器63的信号Vmt，则控制晶体管SWl再次变为接通状态，重新开始来自复位电路部60的控制信号Vkt2的输出。
[0119]此外，在图8中，作为检测电路而配置了源输出型的放大部50，与此相对，通过置换为逆变器型的检测电路，还能够构成兼有后段的比较器61的功能的检测电路。
[0120]下面，使用图12A?图121对本实施方式所涉及的光检测器的制造方法的一例进行说明。在图12A?图121所示的制造方法中，使用SOI (Silicon on Insulator，绝缘体上硅)基板制造本实施方式所涉及的半导体光检测器。
[0121]首先，在图12A中，准备具有硅基底基板30、保护氧化膜16、第I半导体部12、以及作为硅外延生长层的半导体层11的SOI基板。
[0122]接着，如图12B所示，通过离子注入工艺在半导体层11中形成第2半导体部13、第3半导体部14、以及第4半导体部15。在作为像素分离区域形成STI的情况下，在形成第4半导体部15的位置处应用通常的STI形成工艺即可。
[0123]接着，如图12C所示，在半导体层11的与硅基底基板30相反侧的表面上，形成由氧化膜构成的层间绝缘膜18，将层间绝缘膜18的一部分进行开口而形成接触孔。
[0124]接着，如图12D所示，以填补接触孔的方式形成接触插塞19。
[0125]接着，如图12E所示，在层间绝缘膜18的表面上形成覆盖接触插塞19的第I像素电极20。
[0126]接着，如图12F所示，在像素电极20之上形成接合基层金属32和接合凸点金属31ο
[0127]接着，如图12G所示，对包含光电变换部101的基板102、以及检测电路部201进行接合。
[0128]接着，如图12Η所示，除去硅基底基板30而露出保护氧化膜16。此时，由于保护氧化膜16成为蚀刻停止层，所以能够容易地除去硅基底基板30。
[0129]最后，如图121所示，在将保护氧化膜16的一部分进行开口而露出第I半导体部12的区域中形成电极17。
[0130]在本实施方式所涉及的半导体光检测器100的制造方法中，由于具有作为蚀刻停止层的保护氧化膜16，所以无需使用复杂的蚀刻工艺。因此，能够容易地制造层积了光电变换部和检测电路部的层积型的光检测器。另外，能够不使用干蚀刻工艺，仅使用湿蚀刻进行制造，因此能够减少对半导体光检测器100的损伤。
[0131]第2实施方式
[0132]下面，参照图13和图14，说明本发明的第2实施方式所涉及的半导体光检测器500的单位像素的构造。
[0133]本实施方式所涉及的半导体光检测器500在半导体基板516上以矩阵状配置有多个单位像素。多个单位像素分别具有光电变换部502和检测电路部504，光电变换部502和检测电路部504经由像素电极506及接触插塞514进行电连接。
[0134]光电变换部502由半导体部508构成，该半导体部508由光传导材料形成。在半导体部508的入射侧的表面形成电极510。
[0135]作为光传导材料，可举出包含Se的半导体、化合物半导体CuIr^GahSySehO)彡X彡1，0彡y彡1)，或者，光传导材料可举出II1-V族的化合物半导体等。在这些光传导材料中，通过施加由其组成和膜厚决定的规定电压，从而产生雪崩倍增。例如，在光传导材料508是非晶态型的Se,其厚度为2 μ m的情况下，如果对光传导材料508施加约300V的电压，则在光传导材料508内部产生雪崩倍增。
[0136]电极510既可以在半导体部508的光入射侧的表面配置为格子状，也可以配置在整个表面。在配置在整个表面的情况下，电极510最好由透过入射光的透明导电膜构成。电极510的材料使用与第I实施方式相同的材料即可。
[0137]检测电路部504具有半导体基板516和形成于半导体基板516的电荷积蓄部512。在光电变换部502与检测电路部504之间配置有层间绝缘膜518。
[0138]图14是本实施方式所涉及的半导体光检测器500的等效电路图。图14的PCD和电荷积蓄部C分别相当于图13中的、由光传导材料构成的光电变换部502和电荷积蓄部512。
[0139]如果光射入图14的PCD，则在PCD内部产生信号电荷，与此相应，流过倍增电流i。在电容器中积蓄Q = J idt的电荷。该积蓄电荷作为由电容器容量C表示的电压变化量V。=Q/C被检测出来。如果利用微细加工技术制成容量C较小的电荷积蓄部，则能够增大电压变化量V。。
[0140]另外，在图13的半导体光检测器500的制造方法中，从半导体基板516起依次形成电荷积蓄部512、层间绝缘膜518、像素电极506、半导体部508、以及电极510即可。
[0141]根据本实施方式，能够不使用pn结而形成光电变换部，因而可抑制由于pn结界面的表面露 出而产生的暗电流的产生。
[0142]产业上的可利用性
[0143]本公开所涉及的光检测器对于放射线检测等、检测随机的发光现象的微弱光的光检测装置是有效的。
[0144]标号说明
[0145]11半导体层
[0146]12第I半导体部
[0147]13第2半导体部
[0148]14第3半导体部
[0149]15第4半导体部
[0150]16保护氧化膜
[0151]17 电极
[0152]18层间绝缘膜
[0153]19、24接触插塞
[0154]20、23像素电极
[0155]21半导体基板
[0156]22电荷积蓄部
[0157]25布线层间膜
[0158]50放大部
[0159]60复位电路部
[0160]61比较器
[0161]63计数器
[0162]64列信号线
[0163]68复位控制线
[0164]81脉冲产生电路部
[0165]82运算电路部
[0166]100半导体光检测器
[0167]101光电变换部
[0168]201检测电路部
[0169]301接合部
[0170]500半导体光检测器
[0171]502光电变换部
[0172]504检测电路部
[0173]506像素电极
[0174]510 电极
[0175]512电荷积蓄部
[0176]514接触插塞
[0177]516半导体基板
[0178]518层间绝缘膜
[0179]AM电荷倍增区域。
【主权项】
1.一种半导体光检测器，至少具备I个单位像素， 所述单位像素具有: 光电变换部，其对入射光进行光电变换，并且具有通过雪崩倍增对电荷进行倍增的电荷倍增区域； 电荷积蓄部，其与所述光电变换部连接，积蓄来自所述光电变换部的信号电荷；以及检测电路，其与所述电荷积蓄部连接，将所述电荷积蓄部中积蓄的所述信号电荷变换为电压，通过放大部进行放大后输出。2.根据权利要求1所述的半导体光检测器， 所述半导体光检测器具备多个所述单位像素，所述单位像素排列为矩阵状。3.根据权利要求1或2所述的半导体光检测器， 发生所述雪崩倍增的电荷是电子或空穴中的任一者。4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体光检测器， 由所述光电变换部产生的所述雪崩倍增是线性模式。5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体光检测器， 所述光电变换部与所述检测电路设置在不同的层中。6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体光检测器， 所述光电变换部具备: 半导体层，其具有入射光的入射侧的第I表面、以及与所述第I表面相对的第2表面； 第I半导体部，其形成在所述半导体层的所述第I表面侧； 第2半导体部，其形成在所述半导体层的所述第2表面侧的一部分处； 第3半导体部，其形成在所述半导体层的内部，并且形成在俯视时与所述第2半导体部重叠的位置；以及 第4半导体部，其形成在所述半导体层的所述第2表面侧，并且形成在未形成有所述第3半导体部的区域，与所述第2半导体部具有杂质浓度差， 在所述半导体层的所述第I表面上，配置有与所述第I半导体部电连接的第I电极， 在所述半导体层的所述第2表面上，配置有与所述第3半导体部电连接的第2电极。7.根据权利要求6所述的半导体光检测器， 所述半导体层、所述第I半导体部、所述第3半导体部以及所述第4半导体部是第I导电类型， 所述第2半导体部是与所述第I导电类型不同的第2导电类型。8.根据权利要求6所述的半导体光检测器， 所述半导体层、所述第I半导体部以及所述第3半导体部是第I导电类型， 所述第2半导体部以及所述第4半导体部是与所述第I导电类型不同的第2导电类型， 所述第2半导体部的杂质浓度比所述第4半导体部的杂质浓度高。9.根据权利要求8所述的半导体光检测器， 所述第2半导体部的杂质浓度是所述第4半导体部的杂质浓度的10倍以上且14倍以下。10.根据权利要求6所述的半导体光检测器， 所述第3半导体部配置为在俯视时与所述第4半导体部不重叠。11.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体光检测器， 所述光电变换部具备: 半导体层，其具有入射光的入射侧的第I表面、以及与所述第I表面相对的第2表面； 第I半导体部，其形成在所述半导体层的所述第I表面侧； 第2半导体部，其形成在所述半导体层的所述第2表面侧的一部分处； 第3半导体部，其形成在所述半导体层的内部，并且形成在俯视时与所述第2半导体部重叠的位置；以及 绝缘部，其形成在所述半导体层的所述第2表面侧，并且形成在未形成有所述第2半导体部的区域， 在所述半导体层的所述第I表面上，配置有与所述第I半导体部电连接的第I电极， 在所述半导体层的所述第2表面上，配置有与所述第2半导体部电连接的第2电极。12.根据权利要求6至11中任一项所述的半导体光检测器， 所述第3半导体部配置为在俯视时与所述第2电极重叠。13.根据权利要求6至12中任一项所述的半导体光检测器， 所述第3半导体部的杂质浓度比所述半导体层的杂质浓度高。14.根据权利要求6至13中任一项所述的半导体光检测器， 所述半导体层由外延生长层构成，所述外延生长层包含硅。15.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体光检测器， 所述光电变换部由光传导材料构成， 在所述光电变换部的入射光的入射侧的表面配置有第I电极。16.根据权利要求15所述的半导体光检测器， 所述光传导材料是包含Se的半导体。17.根据权利要求15所述的半导体光检测器， 所述光传导材料是CuInxGahSySe1I，其中OSxSl，OSy彡I。18.根据权利要求15所述的半导体光检测器， 所述光传导材料是πι-v族的化合物半导体。19.根据权利要求6至18中任一项所述的半导体光检测器， 所述第I电极在所述光电变换部的、入射光的入射侧的表面配置为格子状。20.根据权利要求19所述的半导体光检测器， 俯视时的所述单位像素的一边的长度相对于所述第I电极的线宽的比为1/30以上且1/5以下。21.根据权利要求6至18中任一项所述的半导体光检测器， 所述第I电极配置在所述光电变换部的、入射光的入射侧的整个表面。22.根据权利要求21所述的半导体光检测器， 所述第I电极由透明导电膜构成。23.根据权利要求1至22中任一项所述的半导体光检测器，具备: 噪声抑制电路，其与所述电荷积蓄部连接，对在所述电荷积蓄部中产生的噪声进行抑制。24.根据权利要求23所述的半导体光检测器， 所述噪声抑制电路具备: 复位晶体管，其与所述放大部连接，对所述电荷积蓄部进行复位；以及 复位电路部，其对所述复位晶体管输出复位脉冲信号。25.根据权利要求24所述的半导体光检测器， 在所述放大部的后段具备比较器和计数器。26.根据权利要求25所述的半导体光检测器， 所述复位电路部利用所述比较器的输出信号进行复位动作。27.根据权利要求24至26中任一项所述的半导体光检测器， 在第I期间内进行来自所述放大部的输出信号的读出， 进行第I复位动作和第2复位动作， 所述第I复位动作与所述第I期间的结束同时地对所述电荷积蓄部进行复位， 所述第2复位动作以比所述第I期间短的间隔对所述电荷积蓄部进行反复复位，在光子入射后的一定期间内停止所述反复复位。28.根据权利要求24至27中任一项所述的半导体光检测器， 所述复位电路部在未接收来自所述比较器的信号的期间中，反复输出向所述复位晶体管的复位脉冲信号。29.根据权利要求24至28中任一项所述的半导体光检测器， 所述复位电路部在接收来自所述比较器的信号的期间中，停止向所述复位晶体管的复位脉冲信号的输出。30.根据权利要求24至27中任一项所述的半导体光检测器， 所述复位电路部在从所述计数器接收信号的同时，开始进行向所述复位晶体管的复位脉冲信号的输出。
【专利摘要】本发明提供一种半导体光检测器，通过与以往相比大幅减小暗噪声和倍增噪声，从而能够检测包含随机光在内的微弱光。半导体光检测器至少具有1个单位像素，该单位像素具有光电变换部、电荷积蓄部、以及检测电路。电荷积蓄部对入射光进行光电变换，并且具有通过雪崩倍增对电荷进行倍增的电荷倍增区域。电荷积蓄部与光电变换部连接，积蓄来自光电变换部的信号电荷。检测电路与电荷积蓄部连接，将电荷积蓄部中积蓄的信号电荷变换为电压，通过放大部进行放大后输出。
【IPC分类】G01T1/20, H04N5/369, H01L31/02, G01J1/42, H01L27/146
【公开号】CN104885222
【申请号】CN201380066623
【发明人】薄田学, 广濑裕, 加藤刚久, 寺西信一
【申请人】松下知识产权经营株式会社
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年10月1日
【公告号】US20150281620, WO2014097519A1
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体光检测器，尤其涉及一种检测微弱的光的半导体光检测器。
【背景技术】
[0002]近年来，在医疗、生物、放射线测量等各种领域中，需要对甚至I光子的微弱光进行准确测量的光检测器。目前，作为检测微弱光的光检测器，广泛利用光电倍增管(Photomultiplier Tube:PMT)。但是，作为真空管器件的PMT，其一个的大小最小也为1mmX 1mm左右，因此难以进行多像素化。另外，为了使用PMT进行二维成像，需要在XY面内扫描被摄体，收集被摄体的各点的信息后进行图像化。因此，难以实时地拍摄被摄体。其中，为了同时实现检测微弱光的光检测器的多像素化和高速化，需要使光检测器为固体元件。
[0003]作为一种检测微弱光的光检测器，提出了利用雪崩光电二极管(AvalanchePhotod1de:APD)的光子计数型的光检测器。该光检测器对射入APD的光子进行计数，将计数结果作为数字值的信号传输到像素之外。
[0004]例如，如专利文献I所记载的那样，光子计数型的光检测器的构造是，将多个APD排列为阵列状，该多个APD连接有负载电阻，被施加了比击穿电压稍低、或者击穿电压以上的高电压。在该光检测器中，根据如下所示的动作原理，如果对Aro射入I个光子，则产生脉冲信号，通过该脉冲信号，计数器的计数值增加I。由此，对射入APD的光子进行计数。
[0005]下面对APD的动作原理简单地进行说明。
[0006]如果光子射入APD，则产生电子-空穴对。产生的电子和空穴中的一者或两者由在APD内部产生的电场进行加速，与晶格发生碰撞而产生新的电子-空穴对，上述电场对应于在Aro两端施加的电压而产生。该现象称为碰撞离化。通过反复发生该碰撞离化，从而对电荷进行倍增。
[0007]APD中有线性模式和盖革模式这两种动作模式。
[0008]线性模式是如下动作模式，即，使对APD施加的电压略低于APD的击穿电压，仅电子和空穴中的一者发生碰撞离化。在线性模式中，以有限的次数发生碰撞离化，因此输出的电流与入射光子数成比例。
[0009]盖革模式是如下动作模式，S卩，使对APD施加的电压在APD的击穿电压以上，由电子和空穴双方发生碰撞离化。在盖革模式下，电子和空穴双方雪崩式地反复发生碰撞离化，输出的电流急剧增加。因此，通常，为了使器件不受到破坏，将负载电阻与APD串联连接使用。在此情况下，如果较大的电流流过负载电阻，则在负载电阻的两端产生电压，与所产生的电压的量相应地，对APD的两端施加的电压下降。在AH)两端的电压大幅低于击穿电压时，碰撞离化停止，输出的电流也瞬时衰减。因此，在盖革模式下，输出的电流成为脉冲信号，从APD输出的电流值与入射光子数不成比例。
[0010]专利文献I中记载的光检测器使用盖革模式的APD。
[0011]现有技术文献
[0012]专利文献
[0013]专利文献1:美国专利第7262402号说明书
【发明内容】
[0014]在APD中，不仅由于光子的入射而生成的电荷发生倍增，由于热激发等、光子入射以外的原因而生成的电荷也发生倍增，成为暗噪声的原因。现有的光子计数型的光检测器使用高倍增率的盖革模式APD，因此暗噪声极其大。因此，存在如下课题，即，仅通过I次检测，无法将由于光子入射而生成的电荷所产生的信号和暗噪声加以区分，通过信号(S)与噪声(N)之比得到的S/N比明显较低。
[0015]另外，由APD的倍增产生的电流是在电荷与晶格碰撞的过程中产生的随机现象的产物，因此产生由散粒噪声(shot noise)引起的倍增噪声。盖革模式APD以高倍增率(通常是15倍以上)动作，因此倍增噪声与倍增率相应地变大。
[0016]在盖革模式APD中，按照与光源同步的检测电路的采样次数，对数据进行累计，由此，与利用I次的数据进行的检测相比，能够改善S/N比。但是，该方法需要使光源的发光定时与信号检测的定时进行同步，因此在随机光的检测(例如放射线测量等)中无法进行利用。为了能够进行随机光的检测，需要将作为随机噪声的、器件的暗电流产生抑制为最小限度。
[0017]本发明针对上述课题，提供一种半导体光检测器，通过与以往相比大幅减小暗噪声和倍增噪声，从而能够检测包含随机光在内的微弱光。
[0018]为了解决上述课题，本发明的一个方式所涉及的半导体光检测器至少具有I个单位像素，该单位像素具有光电变换部、电荷积蓄部、以及检测电路。电荷积蓄部对入射光进行光电变换，并且具有通过雪崩倍增对电荷进行倍增的电荷倍增区域。电荷积蓄部与光电变换部连接，积蓄来自光电变换部的信号电荷。检测电路与电荷积蓄部连接，将电荷积蓄部中积蓄的信号电荷变换为电压，通过放大部进行放大后输出。
[0019]根据本发明，能够实现一种半导体光检测器，通过将倍增噪声和暗电流噪声抑制为最小限度，从而能够检测包含随机光在内的微弱光。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的第I实施方式所涉及的半导体光检测器的单位像素的剖视图。
[0021]图2是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的单位像素的剖视图与俯视图(部分透视图)的关系的图。
[0022]图3是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的等效电路的图。
[0023]图4是第I实施方式所涉及的光检测器的集成化的概念图。
[0024]图5是表示第I实施方式所涉及的像素分离的电位形状的图。
[0025]图6是表示第I实施方式所涉及的第I检测电路的结构例的电路图。
[0026]图7是第I实施方式所涉及的第I检测电路的时序图。
[0027]图8是表示第I实施方式所涉及的第2检测电路的结构例的电路图。
[0028]图9是第I实施方式所涉及的第2检测电路的时序图。
[0029]图10是第I实施方式所涉及的复位电路部的结构图。
[0030]图11是第I实施方式所涉及的运算电路部的逻辑电路图。
[0031]图12A是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0032]图12B是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0033]图12C是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0034]图12D是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0035]图12E是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0036]图12F是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0037]图12G是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0038]图12H是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0039]图121是表示第I实施方式所涉及的半导体光检测器的制造方法的工序剖视图。
[0040]图13是本发明的第2实施方式所涉及的半导体光检测器的单位像素的剖视图。
[0041]图14是表示第2实施方式所涉及的半导体光检测器的等效电路的图。
【具体实施方式】
[0042]下面，参照附图对本发明所涉及的实施方式具体进行说明。对实质上相同的结构标注相同的标号，有时省略说明。此外，本发明不限定于以下实施方式。此外，如果没有技术上的矛盾，则可以对不同实施方式所涉及的结构彼此进行组合。
[0043]第I实施方式
[0044]首先，参照图1和图2对本发明的第I实施方式所涉及的半导体光检测器的单位像素的构造进行说明。此外，图2为了明确示出俯视图中的本实施方式所涉及的半导体光检测器的配置，采用了部分透视图。此外，在本说明书中，“俯视”是指从光电变换部101的受光面的法线方向观察。
[0045]本实施方式所涉及的半导体光检测器100在半导体基板21上以矩阵状配置有多个单位像素。多个单位像素分别具有光电变换部101和检测电路部201，光电变换部101和检测电路部201通过接合部301进行电连接。
[0046]首先，对光电变换部101进行说明。
[0047]光电变换部101具有p_型的半导体层11，该半导体层11具有入射光入射侧的第I表面SI和与第I表面SI相对的第2表面S2。此外，光电变换部101在半导体层11内具有P+型的第I半导体部12、n +型的第2半导体部13、p型的第3半导体部14、以及η -型的第4半导体部15。设P型为第I导电类型，η型为第2导电类型。
[0048]第I半导体部12配置在半导体层11的第I表面SI侧，构成正极。第I半导体部12形成于第I表面SI的整个表面，跨越多个单位像素而形成。
[0049]第2半导体部13配置在半导体层11的第2表面S2侧的一部分处，构成负极。第2半导体部13在每个单位像素中形成，相邻的单位像素的第2半导体部13彼此相互分离。
[0 050]第3半导体部14位于半导体层11的内部，配置为在俯视时与第2半导体部13重叠。第3半导体部14在每个单位像素中形成，相邻的单位像素的第3半导体部14彼此相互分离。在本实施方式中，在俯视时，第2半导体部13形成得比第3半导体部14大。由此，能够减少信号泄漏至相邻的单位像素的现象。
[0051]第4半导体部15配置在第2表面S2侧，并且配置在未配置第2半导体部13的区域。第4半导体部15是将相邻的单位像素的第2半导体部13彼此分离的部件。
[0052]此外，光电变换部101具有保护氧化膜16、电极17 (设为第I电极)、层间绝缘膜18、第I接触插塞19、以及第I像素电极20。
[0053]保护氧化膜16配置在第I半导体部12的入射光入射侧的表面上。即，保护氧化膜16配置在半导体层11的第I表面SI上。
[0054]电极17配置在第I表面SI上，并且配置在未配置保护氧化膜16的区域中。电极17与第I半导体部12电连接，配置为格子状，从而以像素为单位分离保护氧化膜16。
[0055]层间绝缘膜18配置为与第2半导体部13及第3半导体部14相接。S卩，层间绝缘膜18配置在半导体层11的第2表面S2上。第I像素电极20 (设为第2电极)配置在层间绝缘膜18之上，通过配置在层间绝缘膜18内的第I接触插塞19与第2半导体部13电连接。第I像素电极20和第I接触插塞19在每个单位像素中形成。
[0056]第4半导体部15作为对相邻的单位像素进行分离的像素分离区域起作用。S卩，第4半导体部15对相邻的第2半导体部13进行分离。作为本实施方式的变形例，也可以采用如下构造，即，代替第4半导体部15而设置绝缘部的构造。在此情况下，绝缘部例如能够使用在CMOS LSI中使用的浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolat1n)等。
[0057]作为本实施方式的变形例，也可以将第4半导体部15的导电类型设为与第2半导体部13不同的导电类型而实现像素分离。具体而言，可以将第4半导体部15的导电类型设为P型或P_型。
[0058]电极17例如由主要包含铝(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)中的任一者的金属构成。第I接触插塞19例如由包含钨(W)的金属构成。
[0059]第I半导体部12的杂质浓度高于第3半导体部14的杂质浓度。另外，第3半导体部14的杂质浓度高于半导体层11的杂质浓度。根据该结构，能够仅在单位像素内的有效区域中选择性地形成雪崩倍增区域(电荷倍增区域)AM，因此能够仅对所需的电荷进行倍增。具体而言，能够在第3半导体部14与第2半导体部13之间形成电荷倍增区域AM。
[0060]下面，对检测电路部201进行说明。
[0061]检测电路部201具有P型的半导体基板21、n_型的电荷积蓄部22、第2像素电极23、第2接触插塞24、以及布线层间膜25。电荷积蓄部22配置在p型的半导体基板21内，积蓄来自光电变换部101的信号电荷。布线层间膜25配置在半导体基板21的光电变换部101侧的表面上。第2像素电极23配置在布线层间膜25的光电变换部101侧的表面上。第2接触插塞24配置在布线层间膜25内，对电荷积蓄部22和第2像素电极23进行电连接。布线层间膜25由绝缘膜构成。检测电路部201具有由后述的复位电路部60、放大部50构成的检测电路(在图1、图2中省略)。
[0062]第2像素电极23例如由主要包含Al、Cu、Ti中的任一者的金属构成。第2接触插塞24例如由主要包含W的金属构成。在图1中，电荷积蓄部22的光电变换部101侧的表面是与半导体基板21的光电变换部101侧的表面相同的平面。与此相对，也可以将电荷积蓄部22埋入半导体基板21内部而配置为不与布线层间膜25接触。在此情况下，抑制在布线层间膜25与电荷积蓄部22的界面处产生的暗电流的产生。作为将电荷积蓄部22埋入半导体基板21的内部的方法，有下述方法，即，在电荷积蓄部22与第2接触插塞24接触的区域以外的半导体基板21的表面中，注入与在电荷积蓄部22中注入的杂质的导电类型相反的杂质(在本实施方式中是P型的杂质)。另外，光电变换部101的第2半导体部13被配置为在俯视时与第2像素电极23重叠。
[0063]下面，对接合部301进行说明。
[0064]接合部301对光电变换部101和检测电路部201进行电连接。接合部301具有接合凸点金属31、光电变换部101侧的第I接合基层金属32、以及检测电路部201侧的第2接合基层金属33。接合凸点金属31例如由锡(Sn)和银(Ag)的合金构成。由于该合金的熔点低至220°C以下，所以能够在低温下对光电变换部101和检测电路部201进行接合。因此，在接合时，光电变换部101和检测电路部201不易受到温度的不良影响。另外，接合凸点金属31也可以由包含Au的合金构成。由于该合金能够通过镀敷法、蒸镀法等容易地形成窄间距的凸点，所以适于进行具有窄间距的像素排列的、光电变换部101和检测电路部201的接合。
[0065]另外，由光电变换部101、检测电路部201、以及接合部301包围的空间由树脂34填满。在该空间由树脂34填满的情况下，与该空间未被填满的情况相比，增强半导体光检测器100的强度。此外，该空间也可以不由树脂34等填满。
[0066]下面，对由半导体光检测器100进行的入射光的读出进行说明。
[0067]如果由第2半导体部13和第3半导体部14所夹持的区域的电场强度达到规定值以上，则产生电荷倍增区域AM。该规定值根据材料、第2半导体部13与第3半导体部14的距离、以及对APD施加的电压而发生变化。例如，在半导体层11的材料是硅，该距离约为0.5 μ??的情况下，如果对电极17施加20V的电压，则电荷倍增区域AM的电场强度达到约4X105V/cmo该规定值略低于击穿电压，APD以线性模式动作，在该电场强度下，仅电子发生雪崩倍增。
[0068]从光电变换部101的上方入射的光子hv穿过保护氧化膜16和第I半导体部12到达半导体层11，在此被吸收而产生电荷(电子-空穴对)。产生的电荷中的电子向电荷倍增区域AM移动，发生雪崩倍增。产生的倍增电子经由第2半导体部13向检测电路部201侧输出。另一方面，产生的电荷中的空穴不倍增，经由电极17排出。
[0069]如上述所示，在本实施方式中，在电荷倍增区域AM内倍增的电荷仅仅是电子，与作为信号电荷的电子朝相反方向移动的空穴不倍增。因此，能够抑制通过电荷与晶格发生碰撞而产生的新的电子-空穴对的空间上和时间上的波动，减少倍增噪声。在更换导电类型，倍增的电荷仅为空穴的情况下，也同样能够减少倍增噪声。
[0070]第3半导体部14被配置为在俯视时与第4半导体部15不重叠。根据该结构，能够防止在像素分离区域中产生电荷倍增区域AM，抑制在第4半导体部15与层间绝缘膜18的界面处产生的暗电流的倍增。
[0071]在第2半导体部13与层间绝缘膜18的界面、以及第4半导体部15与层间绝缘膜18的界面处产生的、成为暗电流的原因的电子不由电荷倍增区域AM倍增地移动至电荷积蓄部22之后，利用从后述的复位电路部60输出的复位脉冲信号而定期排出。
[0072]在第2半导体部13与层间绝缘膜18的界面处产生的、成为暗电流的原因的空穴与第2半导体部13的多数载流子即电子重新结合而消失。此外，在第4半导体部15与层间绝缘膜18的界面处产生的、成为暗电流的原因的空穴不倍增地经由电极17排出。这样，成为暗电流的原因的电子和空穴均不倍增地消失或排出，因此噪声得到抑制。
[0073]此外，在本实施方式中采用了所谓的电子读出方式，S卩，将光电变换部101产生的电子-空穴对中的电子作为信号电荷读出。但是，在本实施方式中，也能够采用所谓的空穴读出方式，即，通过将P型置换为η型，并且将η型置换为P型，改变电压条件，从而将空穴作为信号电荷读出。
[0074]如图2所不，电极17在第I半导体部12的入射光的入射侧的表面上配置为格子状。因此，电极17能够以不妨碍光的入射的方式对像素区域整体供给外部电源电压。设电极17的线宽为WL，俯视时的单位像素的一边为WG，例如，若1/30 ( WL/WG ( 1/5，则能够确保足够的受光量，并且对像素区域整体供给足够的外部电源电压。例如，在WL/WG= 1/10时，每单位像素的开口率达到81%，因此得到足够的受光量。如果电极17的材料采用具有遮光性的材料，则电极17具有遮光功能，能够减少与相邻的单位像素的混色。
[0075]此外，也可以将电极17配置于光电变换部101的入射光侧的整个表面。在此情况下，电极17使用透光的透明导电膜，不需要保护氧化膜16。透明导电膜例如由ITO(IndiumTin Oxide，铟锡氧化物)构成。
[0076]根据这些结构，能够以不妨碍光的入射的方式对像素区域整体供给外部电源电压。
[0077]下面，使用图3对本实施方式所涉及的半导体光检测器100的信号检测的方式进行说明。图3是本实施方式所涉及的半导体光检测器100的等效电路图。图3的Aro和电荷积蓄部C分别相当于图1中的光电变换部10 1和电荷积蓄部22。
[0078]如果光射入APD，则在APD内部产生信号电荷，与此相应，流过倍增电流i。在电荷积蓄部22中积蓄Q = J idt的电荷。增加的信号电荷Q作为由电荷积蓄部22的容量C表示的电压变化量V。= Q/C被检测出来。如果利用微细加工技术制成容量C较小的电荷积蓄部22，则能够增大电压变化量V。。
[0079]例如，如果设半导体光检测器100的单位像素大小为25 μπιΧ25 μπι，电荷积蓄部22的大小为ΙΟμπιΧΙΟμπι，厚度(与光电变换部101的受光面垂直的方向上的一边的长度)为I μ m，则电容器容量C约为10fF。在由小于击穿电压Vbd的电压进行驱动的线性模式动作中，如果设APD的倍增率为100倍，则I个光子入射而生成信号电荷并倍增后的电荷量为Q = 1.6 X 10_17 [C]。这样，电荷积蓄部22中的电压变化量作为可检测的值输出为V。=Q/C = 1.6 [mV]。如上述所示，通过使用容量负载型的检测电路检测来自APD的信号电荷Q，即便是比专利文献I所示的进行盖革模式动作的APD更低的电压驱动，也能够检测出微弱光，能够大幅减少暗噪声和倍增噪声。
[0080]下面，使用图4对本实施方式所涉及的半导体光检测器100的集成化进行说明。如图4所示，在本实施方式所涉及的半导体光检测器100中，光电变换部101和检测电路部201被配置在不同的层中。即，单位像素具有将光电变换部101层积在检测电路部201上的构造，具有这种构造的单位像素排列为矩阵状。在该结构中，检测电路部201中包含的电荷积蓄部、输出电路可以不配置在像素区域之外，因此能够增大像素区域的面积。换言之，由于检测电路部201被光电变换部101所层积，所以与检测电路部201和光电变换部101位于同一平面的情况相比，能够减小半导体光检测器100的面积。
[0081]另外，通过对相邻的多个单位像素的光检测数据进行累计，从而对信号(S)和噪声(N)电平分别进行平均化，还能够相对地补偿S/N比。因此，在对I个光检测器进行扫描的现有技术中进行的、取得与光源的同步并补偿S/N比的动作是不需要的。即，本实施方式所涉及的半导体光检测器100还能够实现随机光的检测。
[0082]下面，使用图5对本实施方式所涉及的半导体光检测器100的像素分离的电位形状进行说明。如图5所示，在本实施方式中，利用第2半导体部13与第4半导体部15的电位差实现像素分离。第2半导体部13的杂质浓度优选为第4半导体部15的杂质浓度的10倍以上且14倍以下。更优选地，第2半导体部13的杂质浓度为第4半导体部15的杂质浓度的12倍以上且10 3倍以下。
[0083]例如，如果设第2半导体部13的n+型的杂质浓度为10 19[/cm3]、第4半导体部15的rT型的杂质浓度为10 17 [/cm3]，则电位差在室温下为AV = kTln(n+/rT) =120[mV]。在此，k是玻尔兹曼常数，T是温度。另一方面，如果设射入单位像素的光子数为I光子/帧，APD的倍增率为100倍，则倍增后的信号电荷QSQ= 1.6X 10_17[C]。如果设APD的接合容量G为10 [fF]，则由信号电荷Q产生的电压变化为V。= Q/Cj= 1.6 [mV]，因此，由信号电荷Q产生的电压变化V。与电位壁皇相比是非常小的值。因而，信号电荷Q不会越过电位壁皇而向相邻的单位像素漏出，因此可抑制混色的产生。
[0084]在第2半导体部13和第4半导体部15是不同的导电类型的情况下，例如，第2半导体部13可以与上述实施方式同样，采用杂质浓度为119[/cm3]的n+型，第4半导体部15可以采用杂质浓度为1017[/cm3]的P型。
[0085]下面，使用图6?图11对本实施方式所涉及的半导体光检测器100的检测电路进行说明。
[0086]图6是表示本实施方式所涉及的第I检测电路的结构例的电路图。在图6中，各单位像素除了具有光电变换部Aro和电荷积蓄部C以外，还具有复位晶体管RT、选择晶体管SL、放大晶体管SF、以及电流负载晶体管LG。放大晶体管SF和电流负载晶体管LG构成将信号电荷变换为电压并进行检测的源输出型的放大部50。
[0087]在图6所示的电路中，如果光射入APD，则在APD内部产生电荷，与此相应，在电荷积蓄部C中积蓄信号电荷。信号电荷通过源输出型的放大部50放大后输出。
[0088]此外，在图6中，将电流负载晶体管LG配置在像素内，但也可以采用将电流负载晶体管LG与像素外的列信号线64的一端连接的结构。
[0089]下面，使用图6的电路图和图7的时序图对图6的电路图的动作进行说明。
[0090]首先，在时刻^通过将控制信号Vm变为高电平，从而将复位晶体管RT设为接通状态。由此，电荷积蓄部C的电荷被排出至Vdd并复位。此时，将选择晶体管SL设为断开状态。设该时刻t(!为I帧的开始时间。
[0091]在时刻h至时刻t2的曝光期间中，如果由于光子的入射以外的原因产生电荷，则在电荷积蓄部C中积蓄噪声成分的电荷，电压变化量Vc—点一点地增加。在时刻至时刻t2的曝光期间中，如果在时刻t i入射光子而产生信号SIG1，则电荷积蓄部C的积蓄电荷瞬时增加，因此电压变化量^也增加。在图7的时序图中，示出在I帧期间内又入射2次光子而产生了信号SIG2和信号SIG3的例子。
[0092]接着，在时刻t2，通过将选择晶体管SL设为接通状态，从而通过由放大晶体管SF和负载晶体管LG构成的放大部50，将由在电荷积蓄部C中积蓄的信号电荷产生的电压变化量V。作为输出信号进行读出。
[0093]然后，在时刻t3，通过将选择晶体管SL设为断开状态，将复位晶体管RT设为接通状态，从而对电压变化量Vc进行复位。通过以上动作，I帧期间完成。
[0094]在本实施方式中，能够通过使用积蓄容量C较小的电荷积蓄部，来形成电荷-电压变换效率较高的检测电路，因而无需使对APD施加的电压变得极高以提高倍增率。在本实施方式中，将对APD施加的电压设为比APD的击穿电压略低的电压，以线性模式进行动作。在此情况下，与以盖革模式动作的情况相比，能够大幅减小APD的暗噪声和倍增噪声，提高S/N 比。
[0095]下面，使用图8?图11对本实施方式所涉及的第2检测电路的结构例进行说明。图8是表示第2检测电路的结构例的电路图。在图8中，各单位像素具有光电变换部APD、电荷积蓄部C、复位晶体管RT、选择晶体管SL、放大晶体管SF、电流负载晶体管LG、复位电路部60、比较器61、以及计数器63。
[0096]放大晶体管SF和电流负载晶体管LG构成将信号电荷变换为电压并进行检测的源输出型的放大部50。复位晶体管RT和复位电路部60构成噪声抑制电路，该复位电路部60生成用于排出电荷积蓄部C中积蓄的电荷的复位信号。
[0097]比较器61对来自电荷积蓄部C的输出值设置阈值。计数器63设置在比较器61的后段，对来自比较器61的输出值进行计数。
[0098]根据上述结构，能够利用噪声抑制电路消除由热激发等、光子入射以外的原因生成的噪声电荷，由此能够实现S/N比的改善。另外，通过在放大部50的后段具备比较器61和计数器63，从而能够通过计数器63作为数字值对来自比较器61的输出值进行计数。
[0099]复位晶体管RT的栅极连接有OR电路。OR电路如果被输入来自复位电路部60的控制信号Vkt2和来自复位控制线68的控制信号Vm中的任一者，则对复位晶体管RT进行驱动。复位电路部60如果检测到来自比较器61的信号Vsig，则停止控制信号Vkt2的输出，停止复位晶体管RT的复位动作。或者，复位电路部60的控制也能够不使用来自比较器61的信号，而使用计数器63的信号。来自计数器63的N比特的输出信号经由选择晶体管SL被输出至列信号线64。列信号线64与配置在相同列的单位像素共同连接。
[0100]此外，还有将各像素的计数器63的N比特的输出信号使用移位寄存器依次传送至输出部的方法。
[0101]在图8中，将计数器63配置在像素内，但也可以采用将其与像素外的列信号线64的一端连接的结构。
[0102]下面，使用图8的电路图和图9的时序图对图8的电路图的动作进行说明。
[0103]复位电路部60以时间间隔At,输出脉冲信号，该时间间隔At,以比检测对象的光子的典型的入射间隔AtP1、Atp2短的方式适当进行设定。将时间间隔At,设定为如下间隔，即，由电荷积蓄部C中积蓄的噪声电荷产生的输出值不超过由比较器61设置的阈值。在此情况下，复位电路部60在未接收来自比较器61的信号的期间中，以时间间隔对复位晶体管RT反复输出复位脉冲信号。由此，定期地排出电荷积蓄部C中积蓄的、由光子入射以外的原因产生的电荷。
[0104]首先，在时刻h，通过将控制信号Vm变为高电平，从而将复位晶体管RT设为接通状态(第I复位动作)。此时，将选择晶体管SL设为断开状态。设该时刻h为I帧的开始时间。在无光子入射的期间内，通过将来自复位电路部60的控制信号Vkt2定期变为高电平，从而使电荷积蓄部C定期地排出所积蓄的电荷(第2 复位动作)。S卩，在未接收来自比较器61的信号Vsig的期间内，利用第2复位动作对电荷积蓄部C反复进行复位，因此，能够定期地排出通过暗电流等积蓄的噪声电荷，能够提高S/N比。其结果是，在对I个光检测器进行扫描的现有技术中进行的、取得与光源的同步并补偿S/N比的动作是不需要的，还能够精度良好地实现随机光的检测。
[0105]接着，如果在时刻h入射光子而产生信号SIGl，则电荷积蓄部C的积蓄电荷瞬时增加，因此电压变化量^也增加。如果V。的值超过阈值V Mf，则比较器61输出规定的电压信号Vsig。
[0106]复位电路部60在接收来自比较器61的信号Vsig的期间内，停止定期输出的控制信号Vkt2，将电荷积蓄部C中积蓄的电荷的排出停止期间Tl。在该期间Tl中，计数器63对来自比较器61的信号Vsig进行计数。与该计数同时，复位电路部60接收来自计数器63的信号Vmt。复位电路部60在对信号Vsig进行接收的期间结束的同时，重新开始控制信号V ET2的输出，由此，复位晶体管RT重新开始电荷积蓄部C中积蓄的电荷的排出。
[0107]上述动作在I帧内的曝光期间中反复进行。在本实施方式所涉及的图9的时序图中，不出在I帧期间内又入射2次光子而产生了信号SIG2和信号SIG3的例子。
[0108]接着，在时刻t2，通过将选择晶体管SL设为接通状态，从而将从计数器63输出的数字信号传送至列信号线64。此时，既可以如图9所示通过将控制信号Vm变为高电平，从而将复位晶体管RT设为接通，也可以使控制信号Vm保持低电平。
[0109]在时刻t3，通过将选择晶体管SL设为断开状态，从而对计数值进行复位。通过以上动作，I帧期间完成。此时，通过将控制信号Vm变为高电平，从而还将复位晶体管RT设为接通。然后，下一个I帧期间开始。
[0110]如上述所示，在本实施方式所涉及的第2检测电路的结构例中，进行第I复位动作和第2复位动作。第I复位动作与第I期间(传送期间:t2?13)的结束同时地对电荷积蓄部C进行复位，该第I期间进行来自放大部50的输出信号的读出。第2复位动作以比该第I期间短的间隔对电荷积蓄部C反复进行复位，在光子入射后的一定期间中，停止该反复复位。
[0111]根据该结构，在信号电荷不产生的期间中，对电荷积蓄部C反复进行复位，因此能够防止由光子入射以外的原因产生的电荷的积蓄。
[0112]此外，在半导体光检测器100中，复位电路部60在接收来自比较器61的信号的期间中，可以停止向复位晶体管RT的脉冲信号的输出。根据该结构，能够防止在来自比较器61的输出值被计数器63计数之前，信号电荷被复位。
[0113]此外，在半导体光检测器100中，复位电路部60也可以与从计数器63接收信号Vmt同时，开始向复位晶体管RT的控制信号Vkt2的输出。根据该结构，能够提前重新开始第2复位动作。
[0114]图10是本实施方式所涉及的复位电路部60的结构图。复位电路部60具有脉冲产生电路部81、运算电路部82、以及控制晶体管SW1。脉冲产生电路部81生成脉冲信号。运算电路部82对从脉冲产生电路部81输出脉冲信号的期间进行运算。控制晶体管SWl将来自运算电路部82的输出值V-作为输入电压。运算电路部82将来自比较器61的输出信号Vsig和来自计数器63的输出信号V mt作为输入，将其运算结果作为输出值V wt输出至控制晶体管SWl。
[0115]图11是运算电路部82的逻辑电路图。将Vsig和V。?,这2个信号作为输入值，以图11所示的方式连接INV电路和OR电路。
[0116]根据该结构，在未接收来自比较器61的信号Vsig和来自计数器63的信号Vent双方的期间内，即在光入射不存在的期间内，控制晶体管SWl变为接通状态，由脉冲产生电路部81生成的控制信号Vkt2以脉冲状对复位晶体管RT反复输出。
[0117]接着，如果在来自计数器63的信号Vmt不存在的状态下接收来自比较器61的信号Vsig，则控制晶体管SWl变为断开状态，来自复位电路部60的控制信号Vkt2的输出停止。
[0118]接着，如果在接收了来自比较器61的信号Vsig的状态下接收来自计数器63的信号Vmt，则控制晶体管SWl再次变为接通状态，重新开始来自复位电路部60的控制信号Vkt2的输出。
[0119]此外，在图8中，作为检测电路而配置了源输出型的放大部50，与此相对，通过置换为逆变器型的检测电路，还能够构成兼有后段的比较器61的功能的检测电路。
[0120]下面，使用图12A?图121对本实施方式所涉及的光检测器的制造方法的一例进行说明。在图12A?图121所示的制造方法中，使用SOI (Silicon on Insulator，绝缘体上硅)基板制造本实施方式所涉及的半导体光检测器。
[0121]首先，在图12A中，准备具有硅基底基板30、保护氧化膜16、第I半导体部12、以及作为硅外延生长层的半导体层11的SOI基板。
[0122]接着，如图12B所示，通过离子注入工艺在半导体层11中形成第2半导体部13、第3半导体部14、以及第4半导体部15。在作为像素分离区域形成STI的情况下，在形成第4半导体部15的位置处应用通常的STI形成工艺即可。
[0123]接着，如图12C所示，在半导体层11的与硅基底基板30相反侧的表面上，形成由氧化膜构成的层间绝缘膜18，将层间绝缘膜18的一部分进行开口而形成接触孔。
[0124]接着，如图12D所示，以填补接触孔的方式形成接触插塞19。
[0125]接着，如图12E所示，在层间绝缘膜18的表面上形成覆盖接触插塞19的第I像素电极20。
[0126]接着，如图12F所示，在像素电极20之上形成接合基层金属32和接合凸点金属31ο
[0127]接着，如图12G所示，对包含光电变换部101的基板102、以及检测电路部201进行接合。
[0128]接着，如图12Η所示，除去硅基底基板30而露出保护氧化膜16。此时，由于保护氧化膜16成为蚀刻停止层，所以能够容易地除去硅基底基板30。
[0129]最后，如图121所示，在将保护氧化膜16的一部分进行开口而露出第I半导体部12的区域中形成电极17。
[0130]在本实施方式所涉及的半导体光检测器100的制造方法中，由于具有作为蚀刻停止层的保护氧化膜16，所以无需使用复杂的蚀刻工艺。因此，能够容易地制造层积了光电变换部和检测电路部的层积型的光检测器。另外，能够不使用干蚀刻工艺，仅使用湿蚀刻进行制造，因此能够减少对半导体光检测器100的损伤。
[0131]第2实施方式
[0132]下面，参照图13和图14，说明本发明的第2实施方式所涉及的半导体光检测器500的单位像素的构造。
[0133]本实施方式所涉及的半导体光检测器500在半导体基板516上以矩阵状配置有多个单位像素。多个单位像素分别具有光电变换部502和检测电路部504，光电变换部502和检测电路部504经由像素电极506及接触插塞514进行电连接。
[0134]光电变换部502由半导体部508构成，该半导体部508由光传导材料形成。在半导体部508的入射侧的表面形成电极510。
[0135]作为光传导材料，可举出包含Se的半导体、化合物半导体CuIr^GahSySehO)彡X彡1，0彡y彡1)，或者，光传导材料可举出II1-V族的化合物半导体等。在这些光传导材料中，通过施加由其组成和膜厚决定的规定电压，从而产生雪崩倍增。例如，在光传导材料508是非晶态型的Se,其厚度为2 μ m的情况下，如果对光传导材料508施加约300V的电压，则在光传导材料508内部产生雪崩倍增。
[0136]电极510既可以在半导体部508的光入射侧的表面配置为格子状，也可以配置在整个表面。在配置在整个表面的情况下，电极510最好由透过入射光的透明导电膜构成。电极510的材料使用与第I实施方式相同的材料即可。
[0137]检测电路部504具有半导体基板516和形成于半导体基板516的电荷积蓄部512。在光电变换部502与检测电路部504之间配置有层间绝缘膜518。
[0138]图14是本实施方式所涉及的半导体光检测器500的等效电路图。图14的PCD和电荷积蓄部C分别相当于图13中的、由光传导材料构成的光电变换部502和电荷积蓄部512。
[0139]如果光射入图14的PCD，则在PCD内部产生信号电荷，与此相应，流过倍增电流i。在电容器中积蓄Q = J idt的电荷。该积蓄电荷作为由电容器容量C表示的电压变化量V。=Q/C被检测出来。如果利用微细加工技术制成容量C较小的电荷积蓄部，则能够增大电压变化量V。。
[0140]另外，在图13的半导体光检测器500的制造方法中，从半导体基板516起依次形成电荷积蓄部512、层间绝缘膜518、像素电极506、半导体部508、以及电极510即可。
[0141]根据本实施方式，能够不使用pn结而形成光电变换部，因而可抑制由于pn结界面的表面露 出而产生的暗电流的产生。
[0142]产业上的可利用性
[0143]本公开所涉及的光检测器对于放射线检测等、检测随机的发光现象的微弱光的光检测装置是有效的。
[0144]标号说明
[0145]11半导体层
[0146]12第I半导体部
[0147]13第2半导体部
[0148]14第3半导体部
[0149]15第4半导体部
[0150]16保护氧化膜
[0151]17 电极
[0152]18层间绝缘膜
[0153]19、24接触插塞
[0154]20、23像素电极
[0155]21半导体基板
[0156]22电荷积蓄部
[0157]25布线层间膜
[0158]50放大部
[0159]60复位电路部
[0160]61比较器
[0161]63计数器
[0162]64列信号线
[0163]68复位控制线
[0164]81脉冲产生电路部
[0165]82运算电路部
[0166]100半导体光检测器
[0167]101光电变换部
[0168]201检测电路部
[0169]301接合部
[0170]500半导体光检测器
[0171]502光电变换部
[0172]504检测电路部
[0173]506像素电极
[0174]510 电极
[0175]512电荷积蓄部
[0176]514接触插塞
[0177]516半导体基板
[0178]518层间绝缘膜
[0179]AM电荷倍增区域。
【主权项】
1.一种半导体光检测器，至少具备I个单位像素， 所述单位像素具有: 光电变换部，其对入射光进行光电变换，并且具有通过雪崩倍增对电荷进行倍增的电荷倍增区域； 电荷积蓄部，其与所述光电变换部连接，积蓄来自所述光电变换部的信号电荷；以及检测电路，其与所述电荷积蓄部连接，将所述电荷积蓄部中积蓄的所述信号电荷变换为电压，通过放大部进行放大后输出。2.根据权利要求1所述的半导体光检测器， 所述半导体光检测器具备多个所述单位像素，所述单位像素排列为矩阵状。3.根据权利要求1或2所述的半导体光检测器， 发生所述雪崩倍增的电荷是电子或空穴中的任一者。4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体光检测器， 由所述光电变换部产生的所述雪崩倍增是线性模式。5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体光检测器， 所述光电变换部与所述检测电路设置在不同的层中。6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体光检测器， 所述光电变换部具备: 半导体层，其具有入射光的入射侧的第I表面、以及与所述第I表面相对的第2表面； 第I半导体部，其形成在所述半导体层的所述第I表面侧； 第2半导体部，其形成在所述半导体层的所述第2表面侧的一部分处； 第3半导体部，其形成在所述半导体层的内部，并且形成在俯视时与所述第2半导体部重叠的位置；以及 第4半导体部，其形成在所述半导体层的所述第2表面侧，并且形成在未形成有所述第3半导体部的区域，与所述第2半导体部具有杂质浓度差， 在所述半导体层的所述第I表面上，配置有与所述第I半导体部电连接的第I电极， 在所述半导体层的所述第2表面上，配置有与所述第3半导体部电连接的第2电极。7.根据权利要求6所述的半导体光检测器， 所述半导体层、所述第I半导体部、所述第3半导体部以及所述第4半导体部是第I导电类型， 所述第2半导体部是与所述第I导电类型不同的第2导电类型。8.根据权利要求6所述的半导体光检测器， 所述半导体层、所述第I半导体部以及所述第3半导体部是第I导电类型， 所述第2半导体部以及所述第4半导体部是与所述第I导电类型不同的第2导电类型， 所述第2半导体部的杂质浓度比所述第4半导体部的杂质浓度高。9.根据权利要求8所述的半导体光检测器， 所述第2半导体部的杂质浓度是所述第4半导体部的杂质浓度的10倍以上且14倍以下。10.根据权利要求6所述的半导体光检测器， 所述第3半导体部配置为在俯视时与所述第4半导体部不重叠。11.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体光检测器， 所述光电变换部具备: 半导体层，其具有入射光的入射侧的第I表面、以及与所述第I表面相对的第2表面； 第I半导体部，其形成在所述半导体层的所述第I表面侧； 第2半导体部，其形成在所述半导体层的所述第2表面侧的一部分处； 第3半导体部，其形成在所述半导体层的内部，并且形成在俯视时与所述第2半导体部重叠的位置；以及 绝缘部，其形成在所述半导体层的所述第2表面侧，并且形成在未形成有所述第2半导体部的区域， 在所述半导体层的所述第I表面上，配置有与所述第I半导体部电连接的第I电极， 在所述半导体层的所述第2表面上，配置有与所述第2半导体部电连接的第2电极。12.根据权利要求6至11中任一项所述的半导体光检测器， 所述第3半导体部配置为在俯视时与所述第2电极重叠。13.根据权利要求6至12中任一项所述的半导体光检测器， 所述第3半导体部的杂质浓度比所述半导体层的杂质浓度高。14.根据权利要求6至13中任一项所述的半导体光检测器， 所述半导体层由外延生长层构成，所述外延生长层包含硅。15.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体光检测器， 所述光电变换部由光传导材料构成， 在所述光电变换部的入射光的入射侧的表面配置有第I电极。16.根据权利要求15所述的半导体光检测器， 所述光传导材料是包含Se的半导体。17.根据权利要求15所述的半导体光检测器， 所述光传导材料是CuInxGahSySe1I，其中OSxSl，OSy彡I。18.根据权利要求15所述的半导体光检测器， 所述光传导材料是πι-v族的化合物半导体。19.根据权利要求6至18中任一项所述的半导体光检测器， 所述第I电极在所述光电变换部的、入射光的入射侧的表面配置为格子状。20.根据权利要求19所述的半导体光检测器， 俯视时的所述单位像素的一边的长度相对于所述第I电极的线宽的比为1/30以上且1/5以下。21.根据权利要求6至18中任一项所述的半导体光检测器， 所述第I电极配置在所述光电变换部的、入射光的入射侧的整个表面。22.根据权利要求21所述的半导体光检测器， 所述第I电极由透明导电膜构成。23.根据权利要求1至22中任一项所述的半导体光检测器，具备: 噪声抑制电路，其与所述电荷积蓄部连接，对在所述电荷积蓄部中产生的噪声进行抑制。24.根据权利要求23所述的半导体光检测器， 所述噪声抑制电路具备: 复位晶体管，其与所述放大部连接，对所述电荷积蓄部进行复位；以及 复位电路部，其对所述复位晶体管输出复位脉冲信号。25.根据权利要求24所述的半导体光检测器， 在所述放大部的后段具备比较器和计数器。26.根据权利要求25所述的半导体光检测器， 所述复位电路部利用所述比较器的输出信号进行复位动作。27.根据权利要求24至26中任一项所述的半导体光检测器， 在第I期间内进行来自所述放大部的输出信号的读出， 进行第I复位动作和第2复位动作， 所述第I复位动作与所述第I期间的结束同时地对所述电荷积蓄部进行复位， 所述第2复位动作以比所述第I期间短的间隔对所述电荷积蓄部进行反复复位，在光子入射后的一定期间内停止所述反复复位。28.根据权利要求24至27中任一项所述的半导体光检测器， 所述复位电路部在未接收来自所述比较器的信号的期间中，反复输出向所述复位晶体管的复位脉冲信号。29.根据权利要求24至28中任一项所述的半导体光检测器， 所述复位电路部在接收来自所述比较器的信号的期间中，停止向所述复位晶体管的复位脉冲信号的输出。30.根据权利要求24至27中任一项所述的半导体光检测器， 所述复位电路部在从所述计数器接收信号的同时，开始进行向所述复位晶体管的复位脉冲信号的输出。
【专利摘要】本发明提供一种半导体光检测器，通过与以往相比大幅减小暗噪声和倍增噪声，从而能够检测包含随机光在内的微弱光。半导体光检测器至少具有1个单位像素，该单位像素具有光电变换部、电荷积蓄部、以及检测电路。电荷积蓄部对入射光进行光电变换，并且具有通过雪崩倍增对电荷进行倍增的电荷倍增区域。电荷积蓄部与光电变换部连接，积蓄来自光电变换部的信号电荷。检测电路与电荷积蓄部连接，将电荷积蓄部中积蓄的信号电荷变换为电压，通过放大部进行放大后输出。
【IPC分类】G01T1/20, H04N5/369, H01L31/02, G01J1/42, H01L27/146
【公开号】CN104885222
【申请号】CN201380066623
【发明人】薄田学, 广濑裕, 加藤刚久, 寺西信一
【申请人】松下知识产权经营株式会社
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年10月1日
【公告号】US20150281620, WO2014097519A1
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