(57)【要約】      （修正有）【課題】アバランシェ増倍の動作電圧の上昇を抑制しながら、ノイズを低減した光検出装置、光電変換システムを提供する。【解決手段】アバランシェダイオードは、第１の深さに配された第１導電型の第１半導体領域１と、第１の深さよりも第１面に対して深い第２の深さに配され、第１半導体領域１と接する第２半導体領域２と、第２の深さよりも第１面に対して深い第３の深さに配され、第２導体領域２と接する第３半導体領域３とを有し、第１半導体領域１、第２半導体領域２、第３半導体領域３は平面視において重なる部分を備え、第１導電型の半導体領域１の主たるキャリア電荷に対する、第１半導体領域１のポテンシャルの高さと第２半導体領域２のポテンシャルの高さの差が、キャリア電荷に対する、第１半導体領域１のポテンシャルの高さと第３半導体領域３のポテンシャルの高さの差よりも小さい構成を備える。【選択図】図４
2020057651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と、前記第１面と対向する第２面とを有する半導体基板と、
アバランシェダイオードを含む画素が、前記半導体基板に複数配された画素部と、を有する光検出装置であって、
前記アバランシェダイオードは、
第１の深さに配された第１導電型の第１半導体領域と、
前記第１の深さよりも前記第１面に対して深い第２の深さに配され、前記第１半導体領域と接する第２半導体領域と、
前記第２の深さよりも前記第１面に対して深い第３の深さに配され、前記第２半導体領域と接する第３半導体領域とを有し、
前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、前記第３半導体領域は平面視において重なる部分を備え、
前記第１導電型の半導体領域の主たるキャリア電荷に対する、前記第１半導体領域のポテンシャルの高さと前記第２半導体領域のポテンシャルの高さの差が、
前記キャリア電荷に対する、前記第１半導体領域のポテンシャルの高さと前記第３半導体領域のポテンシャルの高さの差よりも小さいことを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記第３の深さよりも前記第１面に対して深い第４の深さに配され、前記第３半導体領域と接する第４半導体領域をさらに有し、
前記第４半導体領域の前記キャリア電荷に対するポテンシャルの高さが、前記第３半導体領域の前記キャリア電荷に対するポテンシャルの高さよりも低いことを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
各々が前記第１の深さから前記第４の深さに渡って配された第１分離部と第２分離部とを有し、
前記アバランシェダイオードは、平面視において前記第１分離部と前記第２分離部との間に配され、
前記第４半導体領域は、前記第１分離部と前記第２分離部に接することを特徴とする請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記第１分離部と前記第２分離部は所定の電位が与えられるコンタクトプラグに接続されることを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記第４半導体領域は、前記第１分離部と前記第２分離部とから前記所定の電位に基づく電位が与えられることを特徴とする請求項４に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記第１の深さにおいて、前記第１半導体領域と前記第１分離部との間であって、前記第１半導体領域と接する領域に、前記第１導電型であって、前記第１半導体領域よりも前記キャリア電荷に対するポテンシャルの高さが高い第６半導体領域を有することを特徴とする請求項４または５に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記第６半導体領域が、前記第１半導体領域の側部から底部に渡って配されていることを特徴とする請求項６に記載の光検出装置。
【請求項８】
前記第３の深さに、前記第３半導体領域と前記第１分離部とに接するとともに、前記第３半導体領域よりも前記キャリア電荷に対するポテンシャルが高い第７半導体領域を有することを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項９】
前記第４の深さよりも前記第１面に対して深い第５の深さに配され、前記第４半導体領域と接する第５半導体領域を有し、
前記第５半導体領域は、前記第１分離部と前記第２分離部と接することを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項１０】
前記第４半導体領域の前記キャリア電荷に対するポテンシャルの高さが、前記第５半導体領域の前記キャリア電荷に対するポテンシャルの高さよりも低いことを特徴とする請求項９に記載の光検出装置。
【請求項１１】
前記第４半導体領域は、前記第２面から前記第１面に向かって前記キャリア電荷に対するポテンシャルの高さが低下することを特徴とする請求項２〜１０のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光検出装置を複数有する光検出システムであって、
第１波長帯の光を前記第１波長帯と異なる第２波長帯の光に変換する波長変換部と、
前記複数の光検出装置に保持された複数のデジタル信号から得られる複数の画像の合成処理を行う信号処理手段と、を有し、
前記波長変換部から出力された前記第２波長帯の光が前記複数の光検出装置に入射するように構成されていることを特徴とする光検出システム。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光検出装置を複数有する光検出システムであって、
前記光検出装置によって検出される光を発光する発光部と、
前記光検出装置に保持されたデジタル信号を用いて距離算出を行う距離算出手段と、を有することを特徴とする光検出システム。
【請求項１４】
移動体であって、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光検出装置と、
前記光検出装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、を有することを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換を行う光検出装置および光検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アバランシェ（電子なだれ）増倍を利用した、単一光子レベルの微弱光を検出可能な光検出装置が知られている。
【０００３】
特許文献１では、光電変換部を構成する半導体領域のＰＮ接合領域において、単一光子に起因する光電荷がアバランシェ増倍を起こすＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｄｉｏｄｅ）を開示している。
【０００４】
また、特許文献１のＳＰＡＤは、半導体基板の表面にＰ型半導体領域が配され、Ｐ型半導体領域の下部にはＮ型半導体領域が配されている。Ｐ型半導体領域とＮ型半導体領域とはＰＮ接合を構成し、ＰＮ接合にはアバランシェ増倍を生じさせる逆バイアス電圧が印加される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公開公報２００９／０１８４３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のＳＰＡＤにおいて、電荷を検出する領域はＰＮ接合領域となる。電荷を検出する領域には、強電界が生じているため、強電界によってＰＮ接合間にトンネル効果が生じるおそれがある。トンネル効果によって生じた電荷は、電荷を検出する領域で偽信号として検出され、ノイズとなるおそれがある。このトンネル効果によって生じる電荷は、ＰＮ接合領域の電界に依存して、指数関数的に増加する。
【０００７】
一方で、ＰＮ接合領域を形成するＰ型領域の不純物濃度を低くすれば、ＰＮ接合領域の電界を下げることができるため、トンネル効果によって生じる電荷を少なくすることができる。しかし、Ｐ型領域の不純物濃度を低くすると、アバランシェ増倍を生じさせる動作電圧が上昇する。
【０００８】
そこで、本発明はアバランシェ増倍の動作電圧の上昇を抑制しながら、ノイズを低減した光検出装置、光電変換システム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】
【０００９】
本発明は、上記の課題を鑑みて為されたものであり、一の態様は、第１面と、前記第１面と対向する第２面とを有する半導体基板と、アバランシェダイオードを含む画素が、前記半導体基板に複数配された画素部と、を有する光検出装置であって、前記アバランシェダイオードは、第１の深さに配された第１導電型の第１半導体領域と、前記第１の深さよりも前記第１面に対して深い第２の深さに配され、前記第１半導体領域と接する第２半導体領域と、前記第２の深さよりも前記第１面に対して深い第３の深さに配され、前記第２半導体領域と接する第３半導体領域とを有し、前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、前記第３半導体領域は平面視において重なる部分を備え、前記第１導電型の半導体領域の主たるキャリア電荷に対する、前記第１半導体領域のポテンシャルの高さと前記第２半導体領域のポテンシャルの高さの差が、前記キャリア電荷に対する、前記第１半導体領域のポテンシャルの高さと前記第３半導体領域のポテンシャルの高さの差よりも小さいことを特徴とする光検出装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、アバランシェ増倍の動作電圧の上昇を抑制しながら、ノイズを低減した光検出装置、光電変換システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】光検出装置の構成を示した図
【図２】画素の構成を示した図
【図３】制御部の接続例を示した図
【図４】アバランシェダイオードの断面を示した図
【図５】アバランシェダイオードの上面図
【図６】アバランシェダイオードのポテンシャルを示した図
【図７】アバランシェダイオードの不純物濃度を示した図
【図８】アバランシェダイオードの断面を示した図
【図９】アバランシェダイオードの上面図
【図１０】アバランシェダイオードの断面を示した図
【図１１】アバランシェダイオードの上面図
【図１２】アバランシェダイオードのポテンシャルを示した図
【図１３】アバランシェダイオードの不純物濃度を示した図
【図１４】アバランシェダイオードの断面を示した図
【図１５】アバランシェダイオードの上面図
【図１６】アバランシェダイオードの断面を示した図
【図１７】アバランシェダイオードの上面図
【図１８】アバランシェダイオードの断面を示した図
【図１９】アバランシェダイオードの上面図
【図２０】アバランシェダイオードの製造方法を示した図
【図２１】アバランシェダイオードの製造方法を示した図
【図２２】光電変換システムの構成の一例を示した図
【図２３】光電変換システムの構成の一例を示した図
【図２４】移動体の構成の一例を示した図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら各実施例の光検出装置を説明する。なお、以下に述べる実施例中に記載されるトランジスタの導電型は一例のものであって、実施例中に記載された導電型のみに限定されるものでは無い。実施例中に記載された導電型に対し、導電型は適宜変更できるし、この変更に伴って、トランジスタのゲート、ソース、ドレインの電位を適宜変更すればよい。例えば、スイッチとして動作させるトランジスタであれば、ゲートに供給する電位のローレベルとハイレベルとを、実施例中の説明に対し逆転させるようにすればよい。
【００１３】
（実施例１）
本発明の第１実施形態による光検出装置について、図１乃至図７を用いて説明する。
【００１４】
図１は、本実施例の光検出装置１０１０のブロック図である。光検出装置１０１０は、画素部１０６、制御パルス生成部１０９、水平走査回路部１０４、列回路１０５、信号線１０７、垂直走査回路部１０３を有している。
【００１５】
画素部１０６には、画素１００が行列状に複数配されている。一つの画素１００は、光電変換素子１０１および画素信号処理部１０２から構成される。光電変換素子１０１は光を電気信号へ変換する。画素信号処理部１０２は、変換した電気信号を列回路１０５に出力する。
【００１６】
垂直走査回路部１０３は、制御パルス生成部１０９から供給された制御パルスを受け、各画素１００に制御パルスを供給する。垂直走査回路部１０３にはシフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられる。
【００１７】
信号線１０７は、垂直走査回路部１０３により選択された画素１００から出力された信号を電位信号として画素１００の後段の回路に供給する。
【００１８】
列回路１０５は、信号線１０７を介して各画素１００の信号が入力され、所定の処理を行う。所定の処理とは入力された信号のノイズ除去、増幅、信号補正などを行い、センサ外部に出力する形に変換する処理である。例えば列回路には、パラレル−シリアル変換回路を有する。
【００１９】
水平走査回路部１０４は、列回路１０５で処理された後の信号を出力回路１０８へ順次出力するための制御パルスを列回路１０５に供給する。
【００２０】
出力回路１０８は、バッファアンプ、差動増幅器などから構成され、列回路１０５から出力された信号を光検出装置１０１０の外部の記録部または信号処理部に出力する。
【００２１】
図１において画素部１０６における画素１００の配列は１次元状に配されていてもよいし、単一画素のみから構成されていてもよい。また、垂直走査回路部１０３、水平走査回路部１０４、列回路１０５は、画素部１０６を複数の画素列をブロックに分けて、ブロック毎に配置してもよい。また、各画素列に配してもよい。
【００２２】
画素信号処理部１０２の機能は、必ずしも全ての画素１００に１つずつ設けられる必要はなく、例えば、複数の画素１００によって１つの画素信号処理部１０２が共有され、順次信号処理が行われてもよい。また、画素信号処理部１０２は、光電変換素子１０１の開口率を高めるために、光電変換素子１０１が設けられた半導体基板とは別の半導体基板に設けられていてもよい。この場合、光電変換素子１０１と画素信号処理部１０２は、画素毎に設けられた接続配線を介して電気的に接続される。垂直走査回路部１０３、水平走査回路部１０４、信号線１０７および列回路１０５も上記のように光電変換素子１０１が設けられた半導体基板とは別の半導体基板に設けられていてもよい。
【００２３】
図２に、本実施例における等価回路を含む画素１００のブロック図の一例を示す。図２において、一つの画素１００は光電変換素子１０１および画素信号処理部１０２を有する。
【００２４】
光電変換素子１０１は、光電変換部２０１と制御部２０２を有する。
【００２５】
光電変換部２０１は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。光電変換部２０１には、アバランシェダイオードが用いられる。
【００２６】
光電変換部２０１のカソードにはアノードに供給される電位ＶＬよりも高い電位ＶＨに基づく電位が供給される。そして光電変換部２０１のアノードとカソードには、光電変換部２０１がアバランシェダイオードとなるような逆バイアスがかかるように電位が供給される。このような逆バイアスの電位を供給した状態で光電変換することで、入射光によって生じた電荷がアバランシェ増倍を起こしアバランシェ電流が発生する。
【００２７】
なお、逆バイアスの電位が供給される場合において、アノードおよびカソードの電位差が降伏電圧より大きいときには、アバランシェダイオードはガイガーモード動作となる。ガイガーモード動作を用いて単一光子レベルの微弱信号を高速検出するフォトダイオードがＳＰＡＤである。
【００２８】
また、光電変換部２０１のアノードおよびカソードの電位差が、光電変換部２０１に生じた電荷がアバランシェ増倍を起こす電位差以上であって降伏電圧以下の電位差である場合には、アバランシェダイオードは線形モードになる。線形モードにおいて光検出を行うアバランシェダイオードをアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と呼ぶ。本実施例において、光電変換部２０１はどちらのアバランシェダイオードとして動作してもよい。なお、アバランシェ増倍を起こす電位差については後述する。
【００２９】
制御部２０２は、高い電位ＶＨを供給する電源電圧と光電変換部２０１に接続される。制御部２０２は、光電変換部２０１で生じたアバランシェ電流の変化を電圧信号に置き換える機能を有する。さらに制御部２０２は、アバランシェ増倍による信号増倍時に負荷回路（クエンチ回路）として機能し、光電変換部２０１に供給する電圧を抑制して、アバランシェ増倍を抑制する働きを持つ（クエンチ動作）。制御部２０２としては、例えば抵抗素子や、アバランシェ電流の増加を検出してフィードバック制御を行うことによりアバランシェ増倍を能動的に抑制する能動クエンチ回路を用いる。
【００３０】
画素信号処理部１０２は、波形整形部２０３、カウンタ回路２０４、選択回路２０６を有する。波形整形部２０３は、光子レベルの信号の検出時に得られる電圧変化を整形して、パルス信号を出力する。波形整形部２０３としては、例えばインバータ回路が用いられる。また、波形整形部２０３として、インバータを一つ用いた例を示したが、複数のインバータを直列接続した回路を用いてもよいし、波形整形効果があるその他の回路を用いてもよい。
【００３１】
波形整形部２０３から出力されたパルス信号は、カウンタ回路２０４によってカウントされる。カウンタ回路２０４には、例えばＮ−ｂｉｔカウンタ（Ｎ：正の整数）の場合、単一光子によるパルス信号を最大で約２のＮ乗個までカウントすることができる。カウントした信号は、検出した信号として保持される。また、駆動線２０７を介して制御パルスｐＲＥＳが供給されたとき、カウンタ回路２０４に保持された検出した信号がリセットされる。
【００３２】
選択回路２０６には、図４の垂直走査回路部１０３から駆動線２０８を介して制御パルスｐＳＥＬが供給され、カウンタ回路２０４と信号線１０７との電気的な接続、非接続を切り替える。選択回路２０６には、例えばトランジスタや、画素外に信号を出力するためのバッファ回路などを用いる。
【００３３】
なお、制御部２０２と光電変換部２０１との間や、光電変換素子１０１と画素信号処理部１０２との間にトランジスタ等のスイッチを配して、電気的な接続を切り替えてもよい。同様に、制御部２０２に供給される高い電位ＶＨまたは光電変換素子１０１に供給される低い電位ＶＬの電位の供給をトランジスタ等のスイッチを用いて電気的に切り替えてもよい。
【００３４】
複数の画素１００が行列状に配された画素部１０６において、カウンタ回路２０４のカウントを行ごとに順次リセットし、カウンタ回路２０４に保持された検出した信号を行ごとに順次出力するローリングシャッタ動作によって撮像画像を取得してもよい。
または、全画素行のカウンタ回路２０４のカウントを同時にリセットし、カウンタ回路２０４に保持された検出した信号を行ごとに順次出力するグローバル電子シャッタ動作によって撮像画像を取得してもよい。なお、グローバル電子シャッタ動作を行う場合には、カウンタ回路２０４のカウントを行う場合と、行わない場合を切り替える手段を設けたほうがよい。切り替える手段とは、例えば前述したスイッチである。
【００３５】
本実施例では、カウンタ回路２０４を用いて撮像画像を取得する構成を示した。しかし、カウンタ回路２０４の代わりに、時間・デジタル変換回路（Ｔｉｍｅ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：以下、ＴＤＣ）、メモリを用いて、パルス検出タイミングを取得する光検出装置１０１０としてもよい。
【００３６】
このとき、波形整形部２０３から出力されたパルス信号の発生タイミングは、ＴＤＣによってデジタル信号に変換される。ＴＤＣには、パルス信号のタイミングの測定に、図１の垂直走査回路部１０３から駆動線を介して、制御パルスｐＲＥＦ（参照信号）が供給される。ＴＤＣは、制御パルスｐＲＥＦを基準として、波形整形部２０３を介して各画素から出力された信号の入力タイミングを相対的な時間としたときの信号をデジタル信号として取得する。
【００３７】
ＴＤＣの回路には、例えばバッファ回路を直列接続して遅延をつくるＤｅｌａｙ  Ｌｉｎｅ方式、Ｄｅｌａｙ  Ｌｉｎｅをループ状につないだＬｏｏｐｅｄ  ＴＤＣ方式などを用いる。その他の方式を用いてもよいが、光電変換部２０１の時間分解能と同等以上の時間分解能を達成できる回路方式である方がよい。
【００３８】
ＴＤＣで得られたパルス検出タイミングを表すデジタル信号は、１つまたは複数のメモリに保持される。メモリが複数配された場合には、選択回路２０６に複数の信号を供給することで、メモリにおいて保持したデジタル信号を信号線１０７に出力する際に、メモリ毎に信号線１０７への出力を制御することができる。
【００３９】
次に図３を用いて、本実施例の制御部２０２について説明する。本実施例において制御部２０２は、二つの構成を有する。一つ目の構成は図３（ａ）に示すように光電変換部２０１の高い電位ＶＨが供給されるカソードの側に制御部２０２が配される構成である。二つ目の構成は、図３（ｂ）に示すように光電変換部２０１の低い電位ＶＬが供給されるアノードの側に制御部２０２が配される構成である。
【００４０】
図３（ａ）および図３（ｂ）の構成において、アバランシェ電流により波形整形部２０３の入力電位が変化してから、制御部２０２による電圧降下によって光電変換部２０１の初期状態のバイアスに復帰するまでには一定の時間が必要である。このように、一度電荷を検出してから、次に電荷を検出することが可能なバイアス状態に戻るまでの期間をＤｅａｄ  ｔｉｍｅという。このＤｅａｄ  ｔｉｍｅが短いほど、時間あたりにカウントできる電荷の数が増加し、光検出装置としてのダイナミックレンジが大きくなる。
例として、制御部２０２が抵抗素子である場合には、本実施例のアバランシェダイオードのＤｅａｄ  ｔｉｍｅ（τｄ［ｓ］）は抵抗（Ｒ［Ω］）と、入力端子の容量（Ｃ［Ｆ］）、の積で決まる。以下の数式で、光電変換部２０１のＰＮ接合容量はＣｐｄ、光電変換部２０１のウエルの容量はＣｗ、配線・拡散層の寄生容量はＣで示す。
図３（ａ）の場合には、Ｄｅａｄ  ｔｉｍｅは、数式２で求められる。
τｄ＝Ｒ（Ｃｐｄ＋Ｃ）          …（数式２）
図３（ｂ）の場合には、Ｄｅａｄ  ｔｉｍｅは、数式３で求められる。
τｄ＝Ｒ（Ｃｐｄ＋Ｃｗ＋Ｃ）    …（数式３）
【００４１】
光電変換部２０１のＰＮ接合容量Ｃｐｄは、アバランシェ増倍を生じさせるために強電界を誘起する光検出領域のＰＮ接合容量である。
【００４２】
ここまでは制御部２０２を抵抗素子として説明したが、能動クエンチ回路の場合でも、同様である。
【００４３】
以上から、本実施例の画素に対する制御部２０２は、光電変換部２０１のアノードの側に配する場合よりもカソードの側に配する場合の方がダイナミックレンジの向上効果を大きくすることができる。
【００４４】
次に、本実施例の光検出装置の平面構造、断面構造について説明する。
【００４５】
図４は、本実施例における光電変換部２０１（アバランシェダイオード）の断面模式図である。本実施例のアバランシェダイオードは、半導体基板１５に配される。半導体基板１５は第１面と、第１面に対向する第２面を有する。例えば、第１面は半導体基板１５の表面であり、第２面は半導体基板１５の裏面である。本実施例では、第１面から第２面へ向かう方向を深さ方向とする。半導体基板１５における深さの基準面は第１面である。半導体基板１５の第１面側には、トランジスタのゲート電極、多層配線構造が配される。
【００４６】
図４において、分離部１６に挟まれた領域に、第１導電型の第１半導体領域（Ｎ型半導体領域）１、第２導電型の第２半導体領域（Ｐ型半導体領域）２が配されている。さらに、第２導電型の第３半導体領域（Ｐ型半導体領域）３、第２導電型の第４半導体領域（Ｐ型半導体領域）４、第２導電型の第５半導体領域（Ｐ型半導体領域）５が配されている。分離部１６は、アバランシェダイオードを挟むように、第１分離部と、第２分離部が設けられている。
【００４７】
複数の画素１００が配された半導体基板１５には、複数の画素１００の各々を電気的に分離する分離部１６が配されている。
【００４８】
第１の深さＸには、Ｎ型半導体領域１およびＰ型半導体領域９が配される。Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９は接している。Ｐ型半導体領域９は、Ｎ型半導体領域１と分離部１６との間に配される。ここで、Ｎ型半導体領域１およびＰ型半導体領域９が第１の深さＸに配されるとは、例えば、イオン注入された不純物濃度が最も高い領域（ピーク）が第１の深さＸに配されることをいう。しかし、必ずしも、ピークが第１の深さＸに配されている必要はなく、設計誤差や製造誤差も許容される。
【００４９】
第１面に対して第１の深さＸよりも深い第２の深さＹには、Ｐ型半導体領域２およびＰ型半導体領域９が配される。Ｐ型半導体領域２とＰ型半導体領域９は接している。
【００５０】
Ｐ型半導体領域２はＮ型半導体領域１の少なくとも一部と重なり、Ｐ型半導体領域９は、Ｐ型半導体領域２と分離部１６との間に配される。
【００５１】
第１面に対して第２の深さＹよりも深い第３の深さＺには、Ｐ型半導体領域３およびＰ型半導体領域９が配される。Ｐ型半導体領域３とＰ型半導体領域９は接している。
【００５２】
Ｐ型半導体領域３はＰ型半導体領域２の少なくとも一部と平面視において重なる関係にある。また、Ｐ型半導体領域９は、Ｐ型半導体領域３と分離部１６との間に配される。
【００５３】
第１面に対して第３の深さＺよりも深い第４の深さＷには、Ｐ型半導体領域４が配される。Ｐ型半導体領域３およびＰ型半導体領域９のそれぞれは、Ｐ型半導体領域４と平面視において重なる関係にある。
【００５４】
第１面に対して第４の深さよりも深い第５の深さには、Ｐ型半導体領域５が配される。Ｐ型半導体領域４はＰ型半導体領域５と重なる。
【００５５】
分離部１６は第１面から深さ方向に向かって配されたＰ型の半導体領域によって構成されている。具体的には、分離部１６として、Ｐ型半導体領域７と、Ｐ型半導体領域８とが、第１面から深さ方向にこの順に配されるとともに、互いに接している。なお、Ｐ型半導体領域７は、Ｐ型半導体領域８とＰ型半導体領域５とＰ型半導体領域４と電気的に接続されている。
【００５６】
Ｐ型半導体領域７の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域８とＰ型半導体領域５とＰ型半導体領域４とＰ型半導体領域３の各々の不純物濃度よりも高い。これにより、例えば第Ｐ型半導体領域８とコンタクトプラグ１７を接続するよりも、Ｐ型半導体領域７とコンタクトプラグ１７を接続する方が接触抵抗を低くすることが可能となる。
【００５７】
Ｎ型半導体領域１には、分離部１６に対して逆バイアスとなる電位が供給される。
【００５８】
次に、Ｐ型半導体領域３の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域８以下の不純物濃度とする。Ｐ型半導体領域３とＮ型半導体領域１とは、ＰＮ接合を形成する。このＰＮ接合によって、Ｐ型半導体領域２のすべての領域が空乏層領域となる。さらに、この空乏層領域がＮ型半導体領域１の一部とＰ型半導体領域３の一部の領域まで延在する。延在した空乏層領域に強電界が誘起される。この強電界により、Ｎ型半導体領域１の一部の領域まで延びた空乏層領域においてアバランシェ増倍が生じ、増倍された電荷に基づく電流が配線１０から出力される。つまり、本実施例において光検出領域は、Ｎ型半導体領域１の一部の領域における空乏層領域となる。
【００５９】
さらに、Ｎ型半導体領域１、Ｐ型半導体領域２、Ｐ型半導体領域３の不純物濃度について説明する。これらの半導体領域の不純物濃度は、Ｎ型半導体領域１の一部に生じる空乏層領域においてアバランシェ増倍を起こす電位差を供給した際に、空乏層領域がＮ型半導体領域１の第１面と接する部分にまで達しない不純物濃度に設定する。これは、半導体基板１５の第１面に接するほど空乏層領域が広がると、半導体基板１５の表面のダングリングボンド等に起因するノイズが第１面から空乏層領域に混入する確率が高まるためである。
【００６０】
そして、延在した空乏層に誘起される深さ方向の電界が充分大きくなるように、Ｎ型半導体領域１および分離部１６の電位差を設定する。ここで、充分大きくなる電位差とは、電界の影響を受けた電荷がアバランシェ増倍を起こす電位差である。つまり光電変換部２０１がアバランシェダイオード（ＡＰＤまたはＳＰＡＤ）としての動作を実現するＮ型半導体領域１およびＰ型半導体領域３の電位差である。
【００６１】
具体的には、Ｎ型半導体領域１およびＰ型半導体領域３の電位差は６Ｖ以上である。このとき、上述したようにＮ型半導体領域１と電気的に接続されたＰ型半導体領域２のすべての領域が、空乏層領域となり、且つＮ型半導体領域１の一部とＰ型半導体領域３の一部の領域まで延在した空乏層領域に、アバランシェ増倍が生じるような強電界が生じる。
【００６２】
なお、より好ましくは、Ｎ型半導体領域１およびＰ型半導体領域３の電位差は１０Ｖ以上であり、３０Ｖ以下である。このとき、例えば、Ｎ型半導体領域１には、１０Ｖ以上の電位が供給され、Ｐ型半導体領域３には０Ｖ以下の電位が供給される。ただし、電位差が６Ｖ以上となれば、これらの電位の値には限られない。
【００６３】
次に、Ｐ型半導体領域４の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域３の不純物濃度以下の不純物濃度である。例えば、Ｐ型半導体領域４の不純物濃度は１．０×１０１７［ａｔｍｓ／ｃｍ３］以下である。「以下」であるため、Ｐ型半導体領域４の不純物濃度とＰ型半導体領域３の不純物濃度は同じであってもよい。
【００６４】
図４では、Ｐ型半導体領域４は一例として同一の不純物濃度からなる領域を示した。しかしＰ型半導体領域４は、半導体基板１５の第１面の側に電荷が移動するような不純物濃度の勾配を有していた方がよい。そのような不純物濃度の勾配とすることで、Ｎ型半導体領域１に電荷を移動しやすくすることができる。
【００６５】
例えば、このＰ型半導体領域４は、第１領域と、第１面に対して第１領域よりも深い位置に配された第２領域と、第１面に対して第２領域よりも深い位置に配された第３領域とを有する。そして、第１領域を第１不純物濃度、第２領域を第２不純物濃度、第３領域を第３不純物濃度とした時に、第１不純物濃度＜第２不純物濃度＜第３不純物濃度としてもよい。なお、第１不純物濃度は、Ｐ型半導体領域３の不純物濃度よりも低くなる。
【００６６】
Ｐ型半導体領域５は、Ｐ型半導体領域４よりも深い位置に配されており、光電変換領域の深さを定義する。Ｐ型半導体領域５の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域３の不純物濃度よりも高くする。これにより、Ｐ型半導体領域５の付近で生じた電荷は、第１面方向に移動しやすくなる。
【００６７】
Ｎ型半導体領域１にはコンタクトプラグ１８が接続され、コンタクトプラグ１８には配線１０が接続される。またＰ型半導体領域７にはコンタクトプラグ１７が接続され、コンタクトプラグ１７には配線１０が接続される。そして、配線９または配線１０は、クエンチ動作を行うための抵抗素子などの制御部２０２に接続される。以下では、制御部２０２が配線９に接続されるものとして説明する。
【００６８】
図４では、コンタクトプラグ１７および配線１１が第１面の側に配されるものとして説明した。しかし、コンタクトプラグ１７および配線１１が第２面の側に配されてもよい。
【００６９】
コンタクトプラグ１７および配線１１が第２面の側に配される場合において、Ｐ型半導体領域５のうちコンタクトプラグ１７が配される領域の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域７の不純物濃度よりも高い方がよい。つまりＰ型半導体領域７となる。このとき、第１面側に配されていたＰ型半導体領域７には、コンタクトプラグ１７が接続されなくなるため、不純物濃度をＰ型半導体領域８と同程度としたほうがよい。これにより、Ｐ型半導体領域７とＮ型半導体領域１との間に生じる電界を緩和することが可能となる。
【００７０】
また、分離部１６が第１面側に絶縁分離部を有する場合においても、コンタクトプラグ１７および配線１１は、第２面側に配される。このとき、分離部１６は、第１面から深さ方向に絶縁分離部、Ｐ型半導体領域８、Ｐ型半導体領域７の順に重なるように接して配される。
【００７１】
次に図５の平面模式図を用いて、図４の断面構造の任意の深さにおける分離部１６および分離部１６に挟まれた光電変換領域の平面構造について説明する。図５では各半導体領域の境界を円形で描いているが、これに限られない。
【００７２】
図５（ａ）は図４の第１の深さＸにおける線分ＡＢの平面模式図、図５（ｂ）は図４の第２の深さＹにおける線分ＣＤにおける平面模式図、図５（ｃ）は図４の第３の深さＺにおける線分ＥＦのおける平面模式図を示す。
【００７３】
図５（ａ）に示すように、第１の深さＸにおいて、Ｎ型半導体領域１はＰ型半導体領域９に平面視において内包される。そしてＰ型半導体領域９は分離部１６に平面視において内包される。
【００７４】
図５（ｂ）に示すように、第２の深さＹにおいて、Ｐ型半導体領域２はＰ型半導体領域９に平面視において内包される。そして、Ｐ型半導体領域９は分離部１６に平面視において内包される。
【００７５】
図５（ｃ）に示すように、第３の深さＺにおいて、Ｐ型半導体領域３はＰ型半導体領域９に平面視において内包される。そして、Ｐ型半導体領域９は分離部１６に平面視において内包される。図４、５から明らかなように、平面視において、Ｐ型半導体領域２はＮ型半導体領域１の少なくとも一部と重なり、Ｐ型半導体領域３はＰ型半導体領域２の少なくとも一部と重なり、Ｐ型半導体領域３およびＰ型半導体領域９はＰ型半導体領域４と重なる。
【００７６】
なお、図５（ａ）〜（ｃ）は一例であって、Ｎ型半導体領域１、Ｐ型半導体領域２、Ｐ型半導体領域３は平面視において重なる部分を有していればアバランシェ増倍を生じさせることができる。
【００７７】
図６に本実施例のポテンシャル図を示す。図６は、図４に示される断面図の線分ＪＫのポテンシャル分布の一例を示す。実線２１は、線分ＪＫのポテンシャル高さを示す。ここでは、Ｎ型半導体領域の主たるキャリア電荷である電子からみたポテンシャルを示す。なお、主たるキャリア電荷が正孔である場合にはポテンシャルの高低の関係が逆になる。
【００７８】
また図６において、深さＸ、Ｚ、Ｗは図４に示した各深さに対応している。
【００７９】
ＸＭレベルのポテンシャルの高さはＰ型半導体領域３のポテンシャルの高さを示す。ＸＬレベルのポテンシャルの高さは、Ｎ型半導体領域１のポテンシャルの高さを示す。
【００８０】
実線２１は、深さＷから深さＺに近づくまで徐々にポテンシャルが下がる。深さＺに近づくと、ポテンシャルの高さが、急峻に下がり始め、深さＺのときに、Ｈレベルのポテンシャルの高さとなる。深さＺから深さＸに近づくまで、ポテンシャルの高さは急峻に下がる。そして、深さＸにおいてＸＬレベルのポテンシャルの高さとなる。
【００８１】
深さＷにおいて、実線２１のポテンシャルはほぼ同じ高さとなっており、線分ＪＫで示す領域において半導体基板１５の第１面の側に向かって緩やかに低くなるポテンシャル勾配をもつ。そのため光電変換素子において生じた電荷は、緩やかなポテンシャル勾配によって第１面の側に移動する。
【００８２】
電荷は、深さＺから深さＸにかけて、急峻なポテンシャル勾配、すなわち強電界によって加速され、加速された電荷がＮ型半導体領域１に到達する。深さＺからＸの領域においてアバランシェ増倍が生じる。
【００８３】
図６に示したように、Ｎ型半導体領域１のポテンシャルとＰ型半導体領域２のポテンシャルの高さの差は、Ｎ型半導体領域１のポテンシャルとＰ型半導体領域３のポテンシャルの高さの差よりも小さい。別の言い方をすれば、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間の領域にＰ型半導体領域３よりもポテンシャルが低いＰ型半導体領域２を設ける、ともいえる。ここでいう各半導体領域のポテンシャルは、不純物濃度のピーク位置の深さにおけるポテンシャルとすることができる。
【００８４】
本実施例の光検出装置は、このＰ型半導体領域２を備えることにより、Ｐ型半導体領域２を設けない場合に比して、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間に生じる強電界を緩和することができる。
【００８５】
これにより、Ｎ型半導体領域１とＰＮ接合を形成するＰ型半導体領域３の不純物濃度の低下を抑制しながら、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間に生じる強電界を緩和でき、ＰＮ接合でトンネル効果を生ずる電子を低減し、ノイズを低減できる。これによりアバランシェ増倍に必要な動作電圧の上昇を抑制しながら、ノイズを低減することができる。
【００８６】
図７に本実施例の不純物濃度分布を示す。図７は、図４に示される断面図の線分ＪＫの不純物濃度分布の一例を示す。線分３１は、線分ＪＫにおけるＮ型半導体領域１のＮ型の不純物濃度分布を示す。線分３２は、線分ＪＫにおけるＰ型半導体領域２のＰ型の不純物濃度分布を示す。線分３３は、線分ＪＫにおけるＰ型半導体領域３のＰ型の不純物濃度分布を示す。線分３４は、線分ＪＫにおけるＰ型半導体領域４のＰ型の不純物濃度分布を示す。
【００８７】
また図７において、深さＸ、Ｙ、Ｚ、Ｗは図４に示した各深さに対応している。
【００８８】
Ｏレベルの不純物濃度はＮ型半導体領域１の不純物濃度のピーク値を示す。Ｓレベルの不純物濃度はＰ型半導体領域２の不純物濃度のピーク値を示す。Ｒレベルの不純物濃度はＰ型半導体領域３の不純物濃度のピーク値を示す。Ｑレベルの不純物濃度はＰ型半導体領域４の不純物濃度のピーク値を示す。
【００８９】
Ｐ型半導体領域２の不純物濃度のピーク値Ｓは、Ｐ型半導体領域３の不純物濃度のピーク値Ｒよりも小さい値である。Ｐ型半導体領域４の不純物濃度のピーク値Ｑは、Ｐ型半導体領域３の不純物濃度のピーク値Ｒよりも小さい値である。例えば、Ｎ型半導体領域１の不純物濃度が１×１０＾１７（本明細書では＾はべき乗を示す。つまり、１０＾１７は１０の１７乗を示す）［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以上の場合に、Ｐ型半導体領域２の不純物濃度は、１×１０＾１６［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以下である。また、Ｐ型半導体領域３の不純物濃度は、１×１０＾１６［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以上、１×１０＾１７［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以下である。
【００９０】
本実施例の光検出装置は、上述したように、Ｐ型半導体領域２を備えることにより、Ｐ型半導体領域２を設けない場合に比して、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間に生じる強電界を緩和することができる。
【００９１】
これにより、Ｎ型半導体領域１とＰＮ接合を形成するＰ型半導体領域３の不純物濃度の低下を抑制しながら、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間に生じる強電界を緩和でき、ＰＮ接合でトンネル効果を生ずる電子を低減し、ノイズを低減できる。これによりアバランシェ増倍に必要な動作電圧の上昇を抑制しながら、ノイズを低減することができる。
【００９２】
（実施例２）
本実施例の光検出装置について、実施例１と異なる点を中心に説明する。
【００９３】
図８は、本実施例におけるアバランシェダイオードの断面模式図である。図１、図２、図３、図６、図７は、実施例１と同様である。また、図１〜図７と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。図８は、図４においてＰ型半導体領域９が配された領域に第１導電型の第６半導体領域（Ｎ型半導体領域）６が配されている点で異なる。Ｎ型半導体領域６は、Ｎ型半導体領域１の側部から底部に渡って配されている。
【００９４】
図８において、分離部１６に挟まれた領域に、Ｎ型半導体領域６が配される。
【００９５】
第１の深さＸには、Ｎ型半導体領域１およびＮ型半導体領域６およびＰ型半導体領域９が配される。Ｎ型半導体領域１とＮ型半導体領域６は接している。Ｎ型半導体領域６とＰ型半導体領域９は接している。Ｎ型半導体領域６は、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間に配される。
【００９６】
第２の深さＹには、Ｐ型半導体領域２およびＮ型半導体領域６およびＰ型半導体領域９が配される。Ｐ型半導体領域２とＮ型半導体領域６は接している。Ｎ型半導体領域６とＰ型半導体領域９は接している。Ｎ型半導体領域６は、Ｐ型半導体領域２とＰ型半導体領域９との間に配される。
【００９７】
Ｎ型半導体領域１は、Ｎ型半導体領域６よりも不純物濃度の高い領域である。このような不純物濃度にすることでＮ型半導体領域１に生じる空乏層の電界を強くすることができる。
【００９８】
Ｎ型半導体領域６の不純物濃度は、Ｎ型半導体領域１の不純物濃度よりも低くする。例えば、Ｎ型半導体領域１の不純物濃度は１．０×１０＾１７［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以上の時にＮ型半導体領域６の不純物濃度は１．０×１０＾１６［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以上、１．０×１０＾１７［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以下である。
【００９９】
このように、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間の領域にＮ型半導体領域１よりも不純物濃度が低いＮ型半導体領域６を設けることで、Ｎ型半導体領域６を設けない場合に比して、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間に生じる強電界が緩和される。
【０１００】
なお、図８では、不純物濃度勾配を持たないＮ型半導体領域６が配される構成を示したが、Ｎ型半導体領域６は不純物濃度勾配を有する領域であるほうがよい。Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間の領域を不純物濃度の勾配を有する構成にすることで、Ｎ型半導体領域６に不純物濃度の勾配を有さない場合に比して、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間に生じる強電界が緩和される。
【０１０１】
このように、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間の領域を不純物濃度の勾配を有する構成にすることで、Ｎ型半導体領域６に不純物濃度の勾配を有さない場合に比して、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間に生じる強電界が緩和される。
【０１０２】
次に図９の平面模式図を用いて、図８の断面構造の任意の深さにおける分離部１６および分離部１６に挟まれた光電変換領域の平面構造について説明する。
【０１０３】
図９（ａ）は図８の第１の深さＸにおける線分ＡＢの平面模式図、図９（ｂ）は図８の第２の深さＹにおける線分ＣＤにおける平面模式図を示す。
【０１０４】
図９（ａ）に示すように、第１の深さＸにおいて、Ｎ型半導体領域１はＮ型半導体領域６に内包される。Ｎ型半導体領域６はＰ型半導体領域９に内包される。そして、Ｐ型半導体領域９は分離部１６に内包される。
【０１０５】
図９（ｂ）に示すように、第２の深さＹにおいて、Ｐ型半導体領域２はＮ型半導体領域６に内包される。Ｎ型半導体領域６はＰ型半導体領域９に内包される。そして、Ｐ型半導体領域９は分離部１６に内包される。
【０１０６】
図８、９から明らかなように、平面視において、Ｎ型半導体領域１はＮ型半導体領域６の少なくとも一部と重なる。
【０１０７】
本実施例の光検出装置は実施例１の光検出装置で得た効果を有する。さらに本実施例の光検出装置は、上述したようにＮ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間の領域にＮ型半導体領域１よりも不純物濃度が低いＮ型半導体領域６を設けることを特徴としている。このような構造により、Ｎ型半導体領域６を設けない場合に比して、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間に生じる強電界を緩和することができる。したがって、Ｎ型半導体領域１と、Ｐ型半導体領域９との間で生じるノイズを低減することができる。
【０１０８】
（実施例３）
本実施例の光検出装置について、実施例１と異なる点を中心に説明する。
【０１０９】
図１０は、本実施例におけるアバランシェダイオードの断面模式図である。図１、図２、図３、は、実施例１と同様である。また、図１〜図９と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【０１１０】
図１０において、分離部１６に挟まれた領域に、第１導電型の第１２半導体領域（Ｎ型半導体領域）１２、第２導電型の第１３半導体領域（Ｐ型半導体領域）１３、第１導電型の第１４半導体領域（Ｎ型半導体領域）１４が配される。
【０１１１】
第２の深さＹには、Ｎ型半導体領域１２およびＰ型半導体領域９が配される。Ｎ型半導体領域１２とＰ型半導体領域９は接している。Ｎ型半導体領域１２はＮ型半導体領域１の少なくとも一部と重なり、Ｐ型半導体領域９は、Ｎ型半導体領域１２と分離部１６との間に配される。
【０１１２】
第３の深さＺには、Ｐ型半導体領域３およびＰ型半導体領域１３が配される。Ｐ型半導体領域３とＰ型半導体領域１３は接している。Ｐ型半導体領域１３は、Ｐ型半導体領域３と分離部１６との間に配される。Ｎ型半導体領域１２とＰ型半導体領域３は重なる。
【０１１３】
第４の深さＷには、Ｎ型半導体領域１４が配される。Ｐ型半導体領域３およびＰ型半導体領域１３はＮ型半導体領域１４と重なる。
【０１１４】
Ｎ型半導体領域１２の不純物濃度は、Ｎ型半導体領域１の不純物濃度よりも低い。例えば、Ｎ型半導体領域１の不純物濃度は１×１０＾１８［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以上、５×１０＾１９［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以下である。また、Ｎ型半導体領域１２の不純物濃度は１×１０＾１７［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以上、５×１０＾１７［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以下である。
【０１１５】
Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間の領域にＮ型半導体領域１よりも不純物濃度が低いＮ型半導体領域１２を設ける。これにより、Ｎ型半導体領域１２を設けない場合に比して、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間に生じる強電界が緩和される。
【０１１６】
また、ＰＮ接合領域を形成するＰ型半導体領域３の不純物濃度を下げることなく、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間に生じる強電界を緩和することで、動作電圧の上昇を抑制することができる。
【０１１７】
図１０において、Ｎ型半導体領域１２とＰ型半導体領域３とＰ型半導体領域１３を設けずに、高濃度のＮ型半導体領域１のすぐ下部に、Ｎ型半導体領域１よりも低濃度のＮ型半導体領域１４を配することを想定する。この場合、Ｎ型半導体領域１４で電荷を発生させ、Ｎ型半導体領域１から電荷を読み出すことはできるが、本実施例と同等の電圧条件下でアバランシェ増倍させることは難しい。これは、Ｎ型半導体領域１およびＰ型半導体領域７の間に印加した電位差の大部分がＮ型半導体領域１４の空乏層領域にかかることにより、Ｎ型半導体領域１近傍のアバランシェ増倍領域にかかる電位差が小さくなるためである。他方、本実施例では、Ｎ型半導体領域１４は各方位でＰ型半導体領域に囲まれるため、Ｎ型半導体領域１４のポテンシャルはＮ型半導体領域１よりも、周囲のＰ型半導体領域に近いレベルとなる。すなわち、Ｐ型半導体領域１３で基板深部への空乏層の過度な広がりを抑制することで、上記の印加する電位差の大部分をＮ型半導体領域１近傍のアバランシェ増倍領域に集中させることが可能となる。この結果、より低電圧で光電荷をアバランシェ増倍させることができる。
【０１１８】
図１０では、Ｎ型半導体領域１４は一例として同一の不純物濃度からなる領域を示した。しかしＮ型半導体領域１４は、半導体基板１５の第１面の側に電荷が移動するようなポテンシャル構造になるように不純物濃度の勾配を有している方がよい。そのような不純物濃度の勾配とすることで、Ｎ型半導体領域１に電荷を移動しやすくすることができる。
【０１１９】
また、半導体基板１５の第１面の側に電荷が移動するようなポテンシャル構造になるように不純物濃度の勾配を有する場合に、Ｎ型半導体領域１４が配された領域において第１面の側がＮ型半導体領域であり、第２面の側がＰ型半導体領域となってもよい。
【０１２０】
もしくは、Ｐ型半導体領域１３の不純物濃度よりも不純物濃度が低いＰ型半導体領域が、Ｎ型半導体領域１４の代わりに配されてもよい。その場合においても半導体基板１５の第１面の側に電荷が移動するようなポテンシャル構造になるように不純物濃度の勾配を有していた方がよい。
【０１２１】
図１０において、Ｐ型半導体領域１３の不純物濃度は、Ｐ型半導体領域３の不純物濃度およびＰ型半導体領域８の不純物濃度よりも低い。そのため、本実施例においても後述する図１２のようなポテンシャル関係が成り立つ。
【０１２２】
次に図１１の平面模式図を用いて、図１０の断面構造の任意の深さにおける分離部１６および分離部１６に挟まれた光電変換領域の平面構造について説明する。
【０１２３】
図１１（ａ）は図１０の第２の深さＹにおける線分ＣＤの平面模式図、図１１（ｂ）は図１０の第２の深さＺにおける線分ＥＦにおける平面模式図を示す。
【０１２４】
図１１（ａ）に示すように、第２の深さＹにおいて、Ｎ型半導体領域１２はＰ型半導体領域９に内包される。そして、Ｐ型半導体領域９は分離部１６に内包される。
【０１２５】
図１１（ｂ）に示すように、第３の深さＺにおいて、Ｐ型半導体領域３はＰ型半導体領域１３に内包される。Ｐ型半導体領域１３は分離部１６に内包される。図１０、図１１から明らかなように、平面視において、Ｎ型半導体領域１２はＮ型半導体領域１の少なくとも一部と重なり、Ｎ型半導体領域１２とＰ型半導体領域３は重なり、Ｐ型半導体領域３およびＰ型半導体領域１３はＮ型半導体領域１４と重なる。さらに、Ｐ型半導体領域９はＰ型半導体領域１３と重なる。
【０１２６】
図１２にアバランシェダイオードのポテンシャル図を示す。図１２は、図８に示される断面図の線分ＪＫおよび線分ＧＨのポテンシャル分布の一例を示す。点線２０は、線分ＧＨのポテンシャル分布を示し、実線２１は、線分ＪＫのポテンシャル分布を示す。ここでは、Ｎ型半導体領域の主たるキャリア電荷である電子からみたポテンシャルを示す。なお、信号電荷が正孔である場合にはポテンシャルの高低の関係が逆になる。
【０１２７】
また図１２において、深さＸ、Ｙ、Ｚ、Ｗ、Ｖは図１０に示した各深さに対応しており、深さＶは深さＺと深さＷとの間の任意の深さである。
【０１２８】
ＸＨレベルのポテンシャルの高さはＰ型半導体領域１３のポテンシャルの高さを示す。Ｈレベルのポテンシャルの高さはＰ型半導体領域３のポテンシャルの高さを示す。Ｍレベルのポテンシャルの高さはＰ型半導体領域９のポテンシャルの高さである。Ｌレベルのポテンシャルの高さは、Ｎ型半導体領域１のポテンシャルの高さを示す。
【０１２９】
点線２０は、深さＶにおいてＸＨレベルとＨレベルの間のポテンシャルの高さである。深さＷから深さＶに近づくと徐々にポテンシャルが下がる。そして、深さＶから深さＺに近づくと徐々にポテンシャルが上がり、深さＺではＸＨレベルとなる。深さＺから深さＸに近づくと徐々にポテンシャルが下がる。深さＸにおいて、Ｍレベルのポテンシャルとなる。
【０１３０】
実線２１は、深さＷにおいてＸＨレベルとＨレベルの間のポテンシャルの高さとなる。深さＷから深さＺに近づくまで徐々にポテンシャルが下がる。深さＺに近づくと、ポテンシャルの高さが、急峻に下がり始め、深さＺのときに、Ｈレベルのポテンシャルの高さとなる。深さＺから深さＸに近づくまで、ポテンシャルの高さは急峻に下がる。そして、深さＸにおいてＬレベルのポテンシャルの高さとなる。
【０１３１】
深さＷにおいて、点線２０と実線２１のポテンシャルはほぼ同じ高さとなっており、線分ＧＨおよび線分ＪＫで示す領域において半導体基板１５の第１面の側に向かって緩やかに低くなるポテンシャル勾配をもつ。そのため光電変換素子において生じた電荷は、緩やかなポテンシャル勾配によって第１面の側に移動する。
【０１３２】
深さＶから深さＺに近づくにつれて、実線２１では、緩やかに低くなるポテンシャル勾配をもち、電荷が第１面の側に移動する。一方で点線２０では、第１面に向かう電荷に対して、ポテンシャル障壁となるポテンシャル勾配が形成されている。このポテンシャル障壁（Ｐ型半導体領域１３）が、Ｎ型半導体領域１４からＰ型半導体領域９に電荷が移動することを抑制する。このポテンシャル障壁に対して、線分ＧＨから線分ＪＫに移動する方向のポテンシャルが低いため、深さＶから深さＺにおいて、線分ＧＨに存在する電荷は、第１面に移動する過程で線分ＪＫの付近に移動しやすくなる。
【０１３３】
線分ＪＫで示した領域付近に移動した電荷は、深さＺから深さＸにかけて、急峻なポテンシャル勾配、すなわち強電界によって加速され、加速された電荷がＮ型半導体領域１に到達する。深さＺからＸの領域においてアバランシェ増倍が生じる。これに対し、線分ＧＨで示した領域においては、アバランシェ降伏を起こさない、もしくは線分ＪＫで示した領域、特に線分ＪＫの深さＺからＸの領域よりもアバランシェ降伏が起きにくいポテンシャル分布となっている。このような構造を実現する一例としては、Ｎ型半導体領域１のポテンシャルの高さとＰ型半導体領域１３のポテンシャルの高さの差が、Ｐ型半導体領域９のポテンシャルの高さとＰ型半導体領域１３のポテンシャルの高さの差よりも大きい構成とするのがよい。
【０１３４】
このようなポテンシャル構造とすることにより、従来アバランシェダイオード全体においてアバランシェ降伏が起こる構成に比べて、上述したトンネル効果により生じるノイズ電荷を低減させることが可能となる。加えて本実施形態のアバランシェダイオードによれば感度の低下を招くこともない。それは、Ｎ型半導体領域１４のうちＰ型半導体領域１３に重なる領域に存在する信号電荷が、Ｐ型半導体領域３を介して第１半導体領域に移動しやすいポテンシャル構造となっているためである。
【０１３５】
具体的には、Ｐ型半導体領域３のポテンシャルの高さが、Ｐ型半導体領域１３のポテンシャルの高さよりも低いためである。つまり、Ｐ型半導体領域１３がＮ型半導体領域１４に存在する信号電荷に対するポテンシャルバリアとして機能し、結果として、Ｐ型半導体領域３を介して、Ｎ型半導体領域１に電荷が移動しやすくなるのである。
【０１３６】
図１２では、第３半導体領域３がＰ型半導体領域である場合のポテンシャル構造を示したが、第３半導体領域３がＮ型半導体領域である場合でも、位置Ｚにおけるポテンシャルの高さは、点線２０は実線２１よりも高くなる。また、第９半導体領域９がＰ型半導体領域である場合のポテンシャル構造を示したが、第９半導体領域９がＮ型半導体領域である場合でも、位置Ｚにおけるポテンシャルの高さは、点線２０は実線２１よりも高くなる。
【０１３７】
図１３に本実施例の不純物濃度分布を示す。図１３は、図１０に示される断面図の線分ＪＫの不純物濃度分布の一例を示す。線分３１は、線分ＪＫにおけるＮ型半導体領域１のＮ型の不純物濃度分布を示す。線分３１２は、線分ＪＫにおけるＮ型半導体領域１２のＮ型の不純物濃度分布を示す、線分３３は、線分ＪＫにおけるＰ型半導体領域３のＰ型の不純物濃度分布を示す。線分３４は、線分ＪＫにおけるＮ型半導体領域１４のＮ型の不純物濃度分布を示す。
【０１３８】
また図１３において、深さＸ、Ｙ、Ｚ、Ｗは図１０に示した各深さに対応している。
【０１３９】
Ｏレベルの不純物濃度はＮ型半導体領域１の不純物濃度のピーク値を示す。ＳＳレベルの不純物濃度はＮ型半導体領域１２の不純物濃度のピーク値を示す。Ｒレベルの不純物濃度はＰ型半導体領域３の不純物濃度のピーク値を示す。Ｑレベルの不純物濃度はＮ型半導体領域４の不純物濃度のピーク値を示す。
【０１４０】
Ｎ型半導体領域１２の不純物濃度のピーク値ＳＳは、Ｎ型半導体領域１の不純物濃度のピーク値Ｏよりも小さい値である。例えば、Ｎ型半導体領域１の不純物濃度は１×１０＾１８［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以上、５×１０＾１９［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以下である。Ｎ型半導体領域１２の不純物濃度は１×１０＾１７［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以上、５×１０＾１７［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以下である。
【０１４１】
本実施例においては、上述したようにＮ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間の領域にＮ型半導体領域１よりも不純物濃度が低いＮ型半導体領域１２を設けている。このような構造により、Ｎ型半導体領域１２を有しない場合に比して、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間に生じる強電界を緩和することができる。つまり、実施例１の光検出装置と同じく、アバランシェ増倍の動作電圧の上昇を抑制しながら、ノイズを低減することができる。
【０１４２】
（実施例４）
本実施例の光検出装置について、実施例３と異なる点を中心に説明する。
【０１４３】
図１４は、本実施例におけるアバランシェダイオードの断面模式図である。図１４では、図１〜図１３と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。図１４は、図１０においてＰ型半導体領域９が配された領域に第１導電型の第１２半導体領域（Ｎ型半導体領域）１９が配されている点で異なる。
【０１４４】
図１４において、分離部１６に挟まれた領域に、第１導電型の第１３半導体領域（Ｎ型半導体領域）１９が配される。
【０１４５】
第１の深さＸには、Ｎ型半導体領域１およびＮ型半導体領域１９およびＰ型半導体領域９が配される。Ｎ型半導体領域１とＮ型半導体領域１９は接している。Ｎ型半導体領域１９とＰ型半導体領域９は接している。Ｐ型半導体領域９は、Ｎ型半導体領域１９と分離部１６との間に配される。
【０１４６】
第２の深さＹには、Ｎ型半導体領域１２およびＮ型半導体領域１９およびＰ型半導体領域９が配される。Ｎ型半導体領域１２とＮ型半導体領域１９は接している。Ｎ型半導体領域１９とＰ型半導体領域９は接している。Ｐ型半導体領域９は、Ｎ型半導体領域１９と分離部１６との間に配される。
【０１４７】
Ｎ型半導体領域１は、Ｎ型半導体領域１９よりも不純物濃度の高い領域である。このような不純物濃度にすることでＮ型半導体領域１に生じる空乏層の電界を強くすることができる。
【０１４８】
Ｎ型半導体領域１９の不純物濃度は、Ｎ型半導体領域１の不純物濃度よりも低くする。
【０１４９】
このように、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間の領域にＮ型半導体領域１よりも不純物濃度が低いＮ型半導体領域１９を設ける。これにより、Ｎ型半導体領域１９を設けない場合に比して、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間に生じる強電界が緩和される。
【０１５０】
また、Ｎ型半導体領域１９は、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域１３との間に生じる強電界を緩和することができる。
【０１５１】
なお、図１４では、不純物濃度勾配を持たないＮ型半導体領域１９が配される構成を示したが、Ｎ型半導体領域１９は不純物濃度勾配を有する領域であるほうがよい。Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間の領域を不純物濃度の勾配を有する構成にすることで、Ｎ型半導体領域１９に不純物濃度の勾配を有さない場合と比較して、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間に生じる強電界が緩和される。
【０１５２】
このように、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間の領域を不純物濃度の勾配を有する構成にする。これにより、Ｎ型半導体領域１９に不純物濃度の勾配を有さない場合に比して、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間と、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域１３との間のそれぞれに生じる強電界が緩和される。
【０１５３】
Ｎ型半導体領域１２は、Ｎ型半導体領域１９よりも不純物濃度の低い領域である。このような不純物濃度にすることでＮ型半導体領域１とＰ型半導体領域１３との間に生じる空乏層の電界よりもＮ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間に生じる空乏層の電界を高くすることができる。例えば、Ｎ型半導体領域１２の不純物濃度は１×１０＾１７［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以上、５×１０＾１７［ａｔｏｍｓ／（ｃｍ＾３）］以下であり、Ｎ型半導体領域１９の不純物濃度は、Ｎ型半導体領域１２の不純物濃度以上である。これにより、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域１３との間に生じる強電界を緩和しつつ、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間に生じる強電界を緩和することができる。
【０１５４】
次に図１５の平面模式図を用いて、図１４の断面構造の任意の深さにおける分離部１６および分離部１６に挟まれた光電変換領域の平面構造について説明する。
【０１５５】
図１５（ａ）は図１４の第１の深さＸにおける線分ＡＢの平面模式図、図１５（ｂ）は図１４の第２の深さＹにおける線分ＣＤにおける平面模式図を示す。
【０１５６】
図１５（ａ）に示すように、第１の深さＸにおいて、Ｎ型半導体領域１はＮ型半導体領域１９に内包される。Ｎ型半導体領域１９はＰ型半導体領域９に内包される。そして、Ｐ型半導体領域９は分離部１６に内包される。
【０１５７】
図１５（ｂ）に示すように、第２の深さＹにおいて、Ｎ型半導体領域１２はＮ型半導体領域１９に内包される。Ｎ型半導体領域１９はＰ型半導体領域９に内包される。そして、Ｐ型半導体領域９は分離部１６に内包される。
【０１５８】
図１４、図１５から明らかなように、平面視において、Ｎ型半導体領域１とＮ型半導体領域１９の少なくとも一部が重なり、Ｎ型半導体領域１９およびＰ型半導体領域９はＰ型半導体領域１３と重なる。
【０１５９】
本実施例の光検出装置は、上述したようにＮ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間の領域にＮ型半導体領域１よりも不純物濃度が低く、Ｎ型半導体領域１２よりも不純物濃度が高いＮ型半導体領域１９を設ける。これにより、Ｎ型半導体領域１９を設けない場合に比して、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域１３との間のそれぞれに生じる強電界を緩和することができる。これにより、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域９との間、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域１３との間のそれぞれに生じる強電界によって生じるノイズを低減することができる。
【０１６０】
（実施例５）
本実施例の光検出装置について、実施例４と異なる点を中心に説明する。
【０１６１】
図１６は、本実施例におけるアバランシェダイオードの断面模式図である。図１６では、図１〜図１５と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【０１６２】
第１の深さＸには、Ｎ型半導体領域１およびＮ型半導体領域１２およびＰ型半導体領域９が配される。Ｎ型半導体領域１とＮ型半導体領域１２は接している。Ｎ型半導体領域１２とＰ型半導体領域９は接している。Ｐ型半導体領域９は、Ｎ型半導体領域１２と分離部１６との間に配される。
【０１６３】
第２の深さＹには、Ｎ型半導体領域１２およびＰ型半導体領域９が配される。Ｎ型半導体領域１２とＰ型半導体領域９は接している。Ｎ型半導体領域１２は、Ｐ型半導体領域９の間に配される。
【０１６４】
このように、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間の領域にＮ型半導体領域１２を設けず、Ｐ型半導体領域９とする。これにより、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域１３との間に生じる空乏層の電界よりもＮ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間に生じる空乏層の電界を高くすることができる。
【０１６５】
次に図１７の平面模式図を用いて、図１６の断面構造の任意の深さにおける分離部１６および分離部１６に挟まれた光電変換領域の平面構造について説明する。
【０１６６】
図１７（ａ）は図１６の第１の深さＸにおける線分ＡＢの平面模式図、図１７（ｂ）は図１６の第２の深さＹにおける線分ＣＤにおける平面模式図を示す。
【０１６７】
図１７（ａ）に示すように、第１の深さＸにおいて、Ｎ型半導体領域１はＮ型半導体領域１２に内包される。Ｎ型半導体領域１２はＰ型半導体領域９に内包される。
【０１６８】
図１７（ｂ）に示すように、第２の深さＹにおいて、Ｎ型半導体領域１２はＰ型半導体領域９の間に配される。
【０１６９】
図１６、図１７から明らかなように、平面視において、Ｎ型半導体領域１２はＰ型半導体領域１３の少なくとも一部と重なる。
【０１７０】
本実施例においては、上述したようにＮ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間の領域を、Ｎ型半導体領域１２の代わりにＰ型半導体領域９を設ける。これにより、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間の領域にＮ型半導体領域１２を設ける場合に比して、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域１３との間に生じる強電界を緩和できる。そして、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域３との間に生じる強電界を緩和することができる。つまり、本実施例の光検出装置は、アバランシェ増倍の動作電圧の上昇を抑制しながら、ノイズを低減することができる。
【０１７１】
（実施例６）
本実施例の光検出装置について、実施例５と異なる点を中心に説明する。
【０１７２】
図１８は、本実施例におけるアバランシェダイオードの断面模式図である。図１８では、図１〜図１７と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【０１７３】
第２の深さＹには、Ｎ型半導体領域１２およびＰ型半導体領域９が配される。Ｎ型半導体領域１２とＰ型半導体領域９は接している。Ｐ型半導体領域９は、Ｎ型半導体領域１２と分離部１６との間に配される。
【０１７４】
次に、図１９の平面模式図を用いて、図１８の断面構造の任意の深さにおける分離部１６および分離部１６に挟まれた光電変換領域の平面構造について説明する。
【０１７５】
図１９は、図１８の第２の深さＹにおける線分ＣＤにおける平面模式図を示す。
【０１７６】
図１９に示すように、第２の深さＹにおいて、Ｎ型半導体領域１２はＰ型半導体領域９の間に配される。
【０１７７】
図１８、１９から明らかなように、平面視において、Ｎ型半導体領域１はＮ型半導体領域１２の少なくとも一部と重なり、Ｎ型半導体領域１２はＰ型半導体領域１３の少なくとも一部と重なる。
【０１７８】
このように、Ｎ型半導体領域１はＮ型半導体領域１２の少なくとも一部と重なり、Ｎ型半導体領域１２はＰ型半導体領域１３の少なくとも一部と重なることで、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域１３との間に生じる強電界を緩和することができる。
【０１７９】
本実施例においては、上述したようにＮ型半導体領域１はＮ型半導体領域１２の少なくとも一部と重なり、Ｎ型半導体領域１２はＰ型半導体領域１３の少なくとも一部と重なる構成を有する。これにより、Ｎ型半導体領域１とＰ型半導体領域１３との間に生じる強電界を緩和することができる。よって、アバランシェ増倍に必要な動作電圧の上昇を抑制しながら、ノイズを低減することが可能となる。
【０１８０】
（実施例７）
本実施例の光検出装置について、実施例３と異なる点を中心に説明する。
【０１８１】
本実施例について、図１０を用いて説明する。
【０１８２】
本実施例においては、図１０の第３の深さＺに配された、Ｐ型半導体領域３とＰ型半導体領域１３の不純物濃度を等しくする。
【０１８３】
これにより、Ｐ型半導体領域３とＰ型半導体領域１３を同一のマスクで形成することで、製造ばらつきによる特性変動を抑制することができる。
【０１８４】
（実施例８）
本実施例では、実施例１の光検出装置の製造方法を説明する。
【０１８５】
図２０、図２１は、実施例１の光検出装置の製造方法を示した図である。
【０１８６】
図２０（ａ）では、Ｐ型半導体領域９に、不純物（たとえばボロン）をイオン注入することにより、Ｐ型半導体領域４、Ｐ型半導体領域５が形成されている。Ｐ型半導体領域５を形成する際には、不純物の注入条件は、Ｐ型半導体領域４を形成する場合に比べて、イオン注入量を多く、かつイオン注入される深さが深くなるように設定される。
【０１８７】
図２０（ｂ）では、半導体基板に塗布されたレジストをパターニングすることにより、レジストパターン２０１が形成されている。このレジストパターン２０１を用いて、不純物（たとえばボロン）をイオン注入する。これにより、Ｐ型半導体領域７、Ｐ型半導体領域８が形成される。Ｐ型半導体領域７を形成する際には、不純物の注入条件は、Ｐ型半導体領域８を形成する場合に比べて、イオン注入量を多く、かつイオン注入される深さが浅くなるように設定される。Ｐ型半導体領域７とＰ型半導体領域８は同一のレジストパターン２０１を用いて形成される。
【０１８８】
図２０（ｃ）では、半導体基板に塗布されたレジストをパターニングすることにより、レジストパターン２０５が形成されている。このレジストパターン２０５を用いて、不純物（たとえばボロン）をイオン注入する。これにより、Ｐ型半導体領域３が形成される。Ｐ型半導体領域３を形成する際には、不純物の注入条件は、Ｐ型半導体領域４を形成する場合に比べて、イオン注入量を多く、かつイオン注入される深さが浅くなるように設定される。
【０１８９】
図２１（ａ）では、半導体基板に塗布されたレジストをパターニングすることにより、レジストパターン２１０が形成されている。このレジストパターン２１０を用いて、不純物（たとえばボロン）をイオン注入する。これにより、Ｐ型半導体領域２が形成される。Ｐ型半導体領域２を形成する際には、不純物の注入条件は、Ｐ型半導体領域３を形成する場合に比べて、イオン注入量を少なく、かつイオン注入される深さが浅くなるように設定される。
【０１９０】
図２１（ｂ）では、半導体基板に塗布されたレジストをパターニングすることにより、レジストパターン２１５が形成されている。このレジストパターン２１５を用いて、不純物（たとえばリン、ヒ素）をイオン注入する。これにより、Ｎ型半導体領域１が形成される。
【０１９１】
このようにして、実施例１に示した光検出装置を形成することができる。
【０１９２】
なお、実施例１〜８で述べた光検出装置は、第１面から光が入射する表面照射型、第２面から光が入射する裏面照射型のどちらにも適用することができる。
【０１９３】
（実施例９）
本実施例では、各実施例の光検出装置１０１０を用いた光検出システムの一例を説明する。図２２を用いて光検出システムの一例である不可視光検出システムおよびＰＥＴ等の医療診断システムについて説明する。
【０１９４】
なお、本実施例の画素１００は、図２のカウンタ回路２０４の代わりにＴＤＣとメモリを有する。ここでは、ＴＤＣをＴＤＣ２０４とし、メモリをメモリ２０５として説明する。
【０１９５】
図２２は、不可視光検出システムの構成を説明するブロック図である。不可視光検出システムは、波長変換部１２０１、データ処理部１２０７を有し、光検出装置１０１０を複数有する。
【０１９６】
照射物１２００は、不可視光となる波長帯の光を照射する。波長変換部１２０１は、照射物１２００から照射された不可視光となる波長帯の光を受光し、可視光を照射する。
【０１９７】
波長変換部１２０１から照射された可視光が入射された光電変換部２０１は光電変換し、制御部２０２、波形整形部２０３、ＴＤＣ２０４を介して、光検出装置１０１０は光電変換した電荷に基づく信号に基づくデジタル信号をメモリ２０５に保持する。複数の光検出装置１０１０は、一つの装置として形成されていてもよいし複数の装置が配列することで形成されてもよい。
【０１９８】
複数の光検出装置１０１０のメモリ２０５で保持された複数のデジタル信号は、データ処理部１２０７によって信号処理が行われる。ここでは、信号処理手段として複数のデジタル信号から得られる複数の画像の合成処理を行う。
【０１９９】
次に不可視光検出システムの具体的な例としてＰＥＴ等の医療診断システムの構成について説明する。
【０２００】
照射物１２００である被験者は、生体内から放射線対を放出する。波長変換部１２０１は、シンチレータを構成し、シンチレータは、被験者から放出された放射線対が入射すると可視光を照射する。
【０２０１】
シンチレータから照射された可視光が入射された光電変換部２０１は光電変換し、制御部２０２、波形整形部２０３、ＴＤＣ２０４を介して、光検出装置１０１０は光電変換した電荷に基づく信号に基づくデジタル信号をメモリ２０５に保持する。つまり、光検出装置１０１０は、被験者から放出された放射線対の到達時間を検出するために配され、シンチレータから照射された可視光を検出し、デジタル信号をメモリ２０５に保持する。
【０２０２】
複数の光検出装置１０１０のメモリ２０５で保持されたデジタル信号は、データ処理部１２０７において信号処理される。ここでは、信号処理手段として複数のデジタル信号から得られる複数の画像を用いて画像再構成などの合成処理を行い、被験者の生体内の画像の形成を行う。
【０２０３】
（実施例１０）
本実施例では、各実施例の光検出装置１０１０を用いた光検出システムの一例を説明する。
【０２０４】
図２３では、光検出システムの一例である距離検出システムについて説明する。なお、本実施例の画素１００は、図２のカウンタ回路２０４の代わりに実施例１で述べたＴＤＣとメモリを有する。ここでは、ＴＤＣをカウンタ回路２０４の代わりにＴＤＣ２０４とし、メモリをメモリ２０５として説明する。
【０２０５】
図２３を用いて、本実施例の距離検出システムのブロック図の一例を説明する。距離検出システムは、光源制御部１３０１、発光部１３０２、光学部材１３０３、光検出装置１０１０、距離算出部１３０９を有している。
【０２０６】
光源制御部１３０１は発光部１３０２の駆動を制御する。発光部１３０２は、光源制御部１３０１から信号を受けた際に、撮影方向に対して短パルス（列）の光を照射する。
【０２０７】
発光部１３０２から照射された光は、被写体１３０４に反射する。反射光は光学部材１３０３を通して、光検出装置１０１０の光電変換部２０１で受光し、光電変換された電荷に基づく信号が波形整形部２０３を介してＴＤＣ２０４に入力される。
【０２０８】
ＴＤＣ２０４は、光源制御部１３０１から得られる信号と、波形整形部２０３から入力された信号とを比較する。そして、発光部１３０２がパルス光を発光してから被写体１３０４を反射した反射光を受光するまでの時間を高精度にデジタル変換する。ＴＤＣ２０４から出力されたデジタル信号は、メモリ２０５に保持される。
【０２０９】
距離算出部１３０９は、メモリ２０５に保持された複数回測定分のデジタル信号を元に、光検出装置から被写体までの距離を算出する。この距離検出システムは例えば車載に適用することができる。
【０２１０】
次に、図２のカウンタ回路２０４を用いた場合の光検出システムの一例を図２４に示す。図２４では、光検出システムの一例である車載カメラに関する光検出システムについて説明する。
【０２１１】
光検出システム１０００は、本発明に係る測距画素および撮像画素を含む光検出システムである。光検出システム１０００は、光検出装置１０１０により取得した複数のデジタル信号に対し、画像処理を行う画像処理部１０３０を有する。さらに、光検出システム１０００は、画像処理部１０３０により取得した複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差算出部１０４０を有する。
【０２１２】
また、光検出システム１０００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部１０５０と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部１０６０と、を有する。ここで、視差算出部１０４０や距離計測部１０５０は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。
【０２１３】
衝突判定部１０６０はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）などによって実現されてもよい。さらに、これらの組合せによって実現されてもよい。
【０２１４】
光検出システム１０００は車両情報取得装置１３１０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、光検出システム１０００は、衝突判定部１０６０での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ１４１０と接続されている。
【０２１５】
また、光検出システム１０００は、衝突判定部１０６０での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置１４２０とも接続されている。例えば、衝突判定部１０６０の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ１４１０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置１４２０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
【０２１６】
本実施例では車両の周囲、例えば前方または後方を光検出システム１０００で撮像する。図２４（Ｂ）に、車両前方を撮像する場合の光検出システムを示した。また、上記では、他の車両と衝突しない制御を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用できる。さらに、光検出システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
【符号の説明】
【０２１７】
１  Ｎ型不純物領域
２  Ｐ型不純物領域
３  Ｐ型不純物領域
４  Ｐ型不純物領域
５  Ｐ型不純物領域
９  Ｐ型不純物領域
１５  半導体基板
１６  分離部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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