(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射を検出するためのアバランシェフォトダイオード(1)であって、
ａ）上部側(13)及び底部側(10)を有する半導体基板(11)であって、第一ドープ型にドーピングされている半導体基板(11)と、
ｂ）半導体基板(11)に上部側(13)で配置され、第二ドープ型にドーピングされると共に連絡可能である上部ダイオード層(15)と、
ｃ）半導体基板(11)に上部ダイオード層(15)と半導体基板(11)の底部側(10)との間で配置され、第一ドープ型にドーピングされる横方向制限下部ダイオード層(16)と、
ｄ）上部ダイオード層(15)の下で延びている電子なだれ領域であって、検出される照射が電子なだれ領域において電子なだれ降伏を引き起こす電子なだれ領域と、
ｅ）半導体基板(11)の底部側(10)で配置され、第一ドープ型にドーピングされる連絡層(12)と、
を有するアバランシェフォトダイオードにおいて、
ｆ）半導体基板(11)に下部ダイオード層(16)と連絡層(12)との間で配置され、第一ドープ型にドーピングされる横方向制限クエンチング抵抗層(18;RQ)であって、電子なだれ領域において照射生成された電子なだれ降伏を急速に抑制するクエンチング抵抗体層(18;RQ)と、
ｇ）横方向下部制限ダイオード層(16)に対して横方向に少なくとも部分的に配置され、第二ドープ型にドーピングされる空乏電極(15)であって、横方向制限ダイオード層(16)の横方向に隣接する半導体基板(11)を空乏状態とする空乏電極(15)と、
を有しており、
下部ダイオード層(16)のクエンチング抵抗層(18;RQ)は、空乏電極(15)から遮蔽されることで、空乏状態にない又は部分的にのみ空乏状態にあり、
上部ダイオード層(15)は、側部が横方向制限下部ダイオード層(16)を越えて横方向に突出し、その突出している側部と一体的な上部ダイオード層(15)が空乏電極を形成していることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項２】
請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード(1)であって、
上部側(13)に配置される光学フィルタ層(14)を有することを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれか一に記載のアバランシェフォトダイオード(1)であって、
上部ダイオード層(15)及び／又は連絡層(12)は、
ａ）アバランシェフォトダイオード(1)の全幅にわたって途切れることなく横方向に延びている、及び／又は
ｂ）横方向に配列が与えられていないことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一に記載のアバランシェフォトダイオード(1)であって、
光学フィルタ層(14)は電子なだれ領域(3)にわたって途切れることなく延びていることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一に記載のアバランシェフォトダイオード(1)であって、
クエンチング抵抗層(18;RQ)の抵抗が、電子なだれ降伏の際に、電子なだれ領域における電流を一時的に途絶えさせることで電子なだれ降伏を終了させる値に設定されてなることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一に記載のアバランシェフォトダイオード(1)であって、
ａ）上部ダイオード層(15)がカソード層であり、下部ダイオード層(16)がアノード層であるか、又は
ｂ）上部ダイオード層(15)がアノード層であり、下部ダイオード層(16)がカソード層であることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一に記載のアバランシェフォトダイオード(1)であって、
検出される照射を吸収するために上部側(13)で配置される照射入力窓を有することを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一に記載のアバランシェフォトダイオード(1)であって、
連絡層(12)は、クエンチング抵抗層(18)が配置される高濃度にドーピングされたウェハであることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一に記載のアバランシェフォトダイオード(1)であって、
連絡層(12)の底部側(10)で配置されると共にアバランシェフォトダイオード(1)を機械的に支持する担持層を有することを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項１０】
請求項９に記載のアバランシェフォトダイオード(1)であって、
担持層は、シリコン、二酸化シリコン、ガラス、サファイア、セラミック及び／又は高濃度にドーピングされた半導体材料を有していることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載のアバランシェフォトダイオード(1)であって、
連絡層(12)と担持層の間で配置される絶縁層(19)を有することを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項１２】
請求項１１に記載のアバランシェフォトダイオード(1)であって、
絶縁層は二酸化シリコンよりなることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一に記載のアバランシェフォトダイオード(1)であって、
半導体基板(11)は、第一ドープ型の少なくとも１つのドーピング分布を備えることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一に記載のアバランシェフォトダイオード(1)であって、
クエンチング抵抗層(18;RQ)の横方向に隣接して半導体基板(11)に、半導体基板(11)が第二ドープ型にドーピングされたドープ領域(25)が配置されていることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一に記載のアバランシェフォトダイオード(1)を複数備えることを特徴とするアバランシェ照射検出器。
【請求項１６】
請求項１５に記載のアバランシェ照射検出器(1)であって、
各アバランシェフォトダイオード(1)と、共通の増幅器(5)が、並列に接続されることを特徴とするアバランシェ照射検出器。
【請求項１７】
請求項１６に記載のアバランシェ照射検出器(1)であって、
ａ）個々のアバランシェフォトダイオード(1)の上部ダイオード層(15)は、いくつかの隣接したアバランシェフォトダイオード(1)にわたって横方向に延びており、
ｂ）個々のアバランシェフォトダイオード(1)の下部ダイオード層(16)は、それぞれの場合において、隣接したアバランシェフォトダイオード(1)間で途切れていると共に、中間スペース(17)を備えており、
ｃ）上部ダイオード層(15)は、隣接したアバランシェフォトダイオード(1)間の中間スペース(17)において半導体基板(11)を空乏状態とし、これにより隣接したアバランシェフォトダイオード(1)を相互に電気的に絶縁することを特徴とするアバランシェ照射検出器。
【請求項１８】
請求項１７に記載のアバランシェ照射検出器(1)であって、
個々のアバランシェフォトダイオード(1)は、共通の接続ラインを介して増幅器に接続されており、その接続ラインは共通の上部ダイオード層(15)と連絡していることを特徴とするアバランシェ照射検出器。
【請求項１９】
請求項１５に記載のアバランシェ照射検出器(1)であって、
ａ）個々のアバランシェフォトダイオード(1)の空乏電極は、それぞれの場合において、隣接したアバランシェフォトダイオード(1)間の中間スペースで配置されている、及び／又は
ｂ）空乏電極は、電圧源に共同で接続されている
ことを特徴とするアバランシェ照射検出器。
【請求項２０】
請求項１５に記載のアバランシェ照射検出器(1)であって、
隣接したアバランシェフォトダイオード(1)間のあらゆる光学的クロストークを防止するために、隣接したアバランシェフォトダイオード(1)間に光学的絶縁を有することを特徴とするアバランシェ照射検出器。
【請求項２１】
請求項２０に記載のアバランシェ照射検出器(1)であって、
光学的絶縁は、隣接したアバランシェフォトダイオード(1)間にエッチングされると共にアバランシェフォトダイオード(1)において生成された光子を吸収又は反射する絶縁溝(23)よりなることを特徴とするアバランシェ照射検出器。
【請求項２２】
請求項２１に記載のアバランシェ照射検出器(1)であって、
絶縁溝(23)は、
第二ドープ型にドーピングされており、及び／又は
上部ダイオード層(15)の電位にある溝壁を備えていることを特徴とするアバランシェ照射検出器。
【請求項２３】
請求項１９〜２２のいずれか一に記載のアバランシェ照射検出器(1)であって、
アバランシェフォトダイオード(1)は個々にそれぞれの増幅器と接続されてなることを特徴とするアバランシェ照射検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の前提部分に関する照射を検出するためのアバランシェフォトダイオード及びアバランシェ照射検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｚ．サジッゴーらの「マイクロピクセル・アバランシェフォトダイオードの３つの最新設計：それらの現状、最大の可能性および限界」物理研究における核計装および方法Ａ５６７巻７０〜７３頁（非特許文献１）によれば、照射を検出する目的で利用可能なタイプのアバランシェフォトダイオードが開示される。この場合、半導体基板に配置されるのは、カソード層とアノード層との間のｐｎ移行部を用いて形成されると共に、検出される照射により電子なだれ降伏を引き起こす電子なだれ領域である。さらにこの場合、電子なだれ領域に直列に接続されると共に、照射生成された電子なだれ降伏を終了させる役割を担うクエンチング抵抗器が配置される。電子なだれ降伏においては、電荷キャリア増倍が電子なだれ領域において途絶えるまで、クエンチング抵抗器にわたる電圧降下が電流を低下させる。
【０００３】
このような既知のアバランシェフォトダイオードの一例において、クエンチング抵抗器は、部分的に照射入力窓に配置されており、しかも薄い金属層と少なくとも部分的に接触させる必要がある。したがってこの場合、クエンチング抵抗器は照射の検出に対して障害となり、このため検出効率が、特に紫外光（ＵＶ）及び青色光に対して大きく低下する。
【０００４】
また上記サジッゴーらの文献においては、他の例として、クエンチング抵抗器が結合コンデンサと共に半導体基板（バルク）内へ一体化されており、電子なだれ領域がエピタキシャル層境界面の半導体基板に深く埋設された形態が示されている。
【０００５】
このような構成では、上記文献にも記載される通り、技術的な困難が生じる。すなわち、高純度なシリコンウェハへの深いイオン注入及びエピタキシャル成長が必要となる。
【０００６】
また一方で、共通のクエンチング抵抗器がそれぞれの場合において、多くのアバランシェフォトダイオードに対して配置されるため、ダイオードのアクティブ化の際に近隣領域の多くが検知不可能になるという問題もある。
【０００７】
さらに、アバランシェフォトダイオードに関する既知の他の問題として、照射検出器が照射に曝される環境において一般に動作してしまうという点も挙げられる。したがって、アバランシェフォトダイオードの十分な長期安定性を保証するためには、総合的な準備試験が（特に宇宙関連用途の場合には）必要である。アバランシェフォトダイオードに関する半導体材料としてのシリコンは、優れた誘電特性を示す不活性酸化物が得られると共に、比較的少ない欠陥でシリコン−二酸化シリコン境界面を曲がるように生成できるという重要なメリットを有するが、この境界面は一方でイオン化照射に対して最も反応し易い部分を構成するという特徴も備える。追加的に生成された境界面チャージ及び境界面生成電流（リーク電流）は共に、照射の前に、桁が違う大きさで初期値を超えてしまうことがある。従来の照射検出器の絶縁構造は、主にこの理由で故障する。したがって、より高いレベルのビーム耐性を有する検出器が望まれている。
【０００８】
さらに他の従来技術として、欧州特許出願公開第ＥＰ１８４０９６７Ａ１号明細書（特許文献１）及び特開平９−６４３９８号公報（特許文献２）、欧州特許出願公開第ＥＰ１７５５１７１Ａ１号明細書（特許文献３）、米国特許出願公開第ＵＳ２００６／０２４９７４７Ａ１号明細書（特許文献４）及び米国特許第ＵＳ６２２２２０９Ｂ１号明細書（特許文献５）を参照する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許出願公開第ＥＰ１８４０９６７Ａ１号明細書
【特許文献２】特開平９−６４３９８号公報
【特許文献３】欧州特許出願公開第ＥＰ１７５５１７１Ａ１号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第ＵＳ２００６／０２４９７４７Ａ１号明細書
【特許文献５】米国特許第ＵＳ６２２２２０９Ｂ１号明細書
【００１０】
【非特許文献１】Ｚ．サジッゴー他「マイクロピクセル・アバランシェフォトダイオードの３つの最新設計：それらの現状、最大の可能性および限界」物理研究における核計装および方法Ａ５６７巻７０〜７３頁（Sadygov Z.: "Three advanced designs of micro-pixel avalanche photodiodes: Their present status, maximum possibilities and limitations", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 567 (2006) 70-73）
【非特許文献２】Ｇ．ルッツ「半導体放射線検出器」第二版，スプリンガー出版，２００１年，２３９〜２４２頁（Lutz, G.: "Semiconductor Radiation Detectors", 2nd edition, Springer Verlag 2001, page 239-242）
【非特許文献３】Ｑ．Ｙ．トン，Ｕ．ゴゼル「半導体ウェハボンディング」ジョンンワイリー＆サンズ，ニューヨーク，１９９９年（Tong, Q.Y.; Goesele, U.: "Semiconductor Wafer Bonding", John Wiley and Sons, New York, 1999）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このような背景に鑑み、本発明の目的は、上述した従来のアバランシェフォトダイオードの問題点を改善することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１２】
本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、個々の光学的光子を検出するために、好ましくは照射検出器においてマトリックス形状に配置できる。
【００１３】
また本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、極めて簡単な方法で製造できる。
【００１４】
さらに本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、イオン化ビームに対して可能な限り耐性を備えることができる。
【００１５】
さらにまた本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、高い量子効率と、紫外及び青色スペクトル域における高い感度を有することができる。
【００１６】
上述の目的は、主たる請求項及び従属請求項に係る新規なアバランシェフォトダイオードを用いてそれぞれ達成される。
【００１７】
本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、部分的には従来と同様の構成を採用している。またこのアバランシェフォトダイオードは、上部側及び底部側を有する半導体基板を備える。半導体基板は、第一ドープ型（例えばｎ型ドーピング）にドーピングされている。半導体基板は、好ましくはシリコンから成る。ただ、本発明は半導体材料をシリコンに限定せず、基本的に他の半導体材料でも製造できる。
【００１８】
また本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、典型的には、２つの逆極性にドーピングされており、一方が他方の上方に配置されているダイオード層（カソード及びアノード）を備える。ダイオード層は、半導体基板に上部側の表面付近に配置されると共に、電子なだれ領域を有している。電子なだれ領域においては、検出される照射が、対応するバイアス電圧のときに電子なだれ降伏を引き起こす。
【００１９】
この場合においてカソード層は、好ましくは上部に配置されており、またアノード層は底部に配置されている。ただ、本発明はこの配置に限定されない。例えば上記と逆に、アノード層を上部に配置して、カソード層をその下側に配置する構成も、基本的に可能である。
【００２０】
さらに本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、半導体基板の底部側で配置され、第一ドープ型にドーピングされる連絡層を備える。例えば、電子又はホールがキャリア増倍に貢献し、その結果、電子なだれ降伏を引き起こすよう、アバランシェフォトダイオードをいわゆるガイガーモードにおいて動作させるために、連絡層は電気的なバイアス電圧をアバランシェフォトダイオードに印加可能とする。電子なだれ降伏においては、電流は原則として直列抵抗器によってのみ制限される。
【００２１】
さらに本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、クエンチング抵抗器を配置している。クエンチング抵抗器は、電子なだれ領域と電気的に直列に接続されると共に、電子なだれ領域における電子なだれ降伏のときには、電子なだれ降伏をクエンチング抵抗器による電流制限を用いて急速に抑制することを保証するように構成されている。ただし従来技術とは対照的に、本発明の場合クエンチング抵抗器は、クエンチング抵抗層として形成され、半導体基板と一体化されている。ここでは、クエンチング抵抗層は電子なだれ領域と連絡層との間、つまり下部ダイオード層の下方に配置されている。下部ダイオード層は、好ましくはアノード層であり、このことは好都合となる。下部ダイオード層が、上部ダイオード層の空乏効果からクエンチング抵抗層を遮蔽するからである（詳しくは後述）。
【００２２】
さらにまた本発明に係るアバランシェフォトダイオードは、横方向制限ダイオード層に隣接して横方向に少なくとも部分的に配置され、第二ドープ型にドーピングされる空乏電極を配置している。電気的に横方向でのアバランシェフォトダイオードを絶縁するために、空乏電極は、横方向制限下部ダイオード層の横方向に隣接した半導体基板を空乏状態にする役割を担う。このことは、特に本発明に係る多数のアバランシェフォトダイオードが、アバランシェ照射検出器において相互に隣接して配置される場合に有用である。この場合は、空乏電極が、直ぐ隣のアバランシェフォトダイオードを相互に電気的に絶縁するよう保証するからである。
【００２３】
この場合、クエンチング抵抗層の上方に配置される下部ダイオード層（好ましくはアノード層）は、クエンチング抵抗層を空乏電極から電気的に遮蔽する。これにより、クエンチング抵抗層は空乏状態にならず、あるいは部分的にだけ空乏状態となる。
【００２４】
横方向制限下部ダイオード層の横方向に隣接した領域における半導体基板の空乏効果が、好ましくは完全に半導体基板の全厚さにわたって生じている。つまり、下部ダイオード層の横方向に隣接している半導体基板は、上部側から底部側へ完全に空乏状態となる。
【００２５】
ただ、半導体基板における空乏電極の空乏効果を、垂直方向において半導体基板の底部側までは延びていない空乏孤立部を横方向制限下部ダイオード層の横方向に隣接している半導体基板においてのみ形成されるよう、特定の深さ内にのみ生じさせることも、本発明の範囲内で可能である。
【００２６】
本発明の一の形態においては、空乏電極が、この目的で側部が横方向制限下部ダイオード層を越えて横方向に突出している上部ダイオード層を用いて形成される。上部ダイオード層は、その突出している側部と一体的に空乏電極を形成している。この場合、空乏電極の独立した電気制御は必要ではない。上部ダイオード層が既に電気的に連絡しているからである。
【００２７】
対照的に、本発明の他の態様において、空乏電極は、上部ダイオード層から電気的に空間的に分離されており、別の電極として形成される。これにより好適には、半導体基板において所望の空乏効果を達成するために、空乏電極を独立した電位に制御できる。このことは、例えば隣接したアバランシェフォトダイオード間の間隔が非常に小さく、カソード電圧が、隣接したアバランシェフォトダイオード間の中間スペースにおいて半導体基板を完全に空乏状態とするには十分でない場合に有効である。
【００２８】
さらに、従来のアバランシェフォトダイオードで知られているように、本発明に係るクエンチング抵抗層は結合キャパシタンスを構成する。
【００２９】
クエンチング抵抗器をクエンチング抵抗層として半導体基板内に一体化することの有用性は、上部ダイオード層に半導体基板の上部側において完全に配列を与えないことが可能であり、また検出効率を特に紫外及び青色スペクトル域において大きく改善できる点である。
【００３０】
またこれにより、同様に電子なだれ領域にわたって横方向に配列を与えないことが可能な光学フィルタ層を、アバランシェフォトダイオードの上部側に配置する構成を実現できる。
【００３１】
クエンチング抵抗層が、照射生成された電子なだれ降伏を終了する役割を担うことは、上述の通りである。したがってクエンチング抵抗器は、電子なだれ降伏のときに電流が約２０未満μＡとなる大きさの抵抗を有することになる。この大きさの電流の場合には、この電流を表わす電荷キャリア密度が、少なくとも短時間で電子なだれ領域において値０へと変化する。これにより、電荷キャリアなだれを途絶えさせる可能性が非常に高い。したがって、本発明に係るアバランシェフォトダイオードの場合、クエンチング抵抗層が、好ましくは、電子なだれ降伏のときに電子なだれ領域における電流が少なくとも時々途絶え、これにより電子なだれ降伏を終了させるような大きな抵抗値を有する。このために、クエンチング抵抗層の抵抗値は、少なくとも０．１ＭΩ、０．５ＭΩ、１ＭΩ、あるいは少なくとも２ＭΩとなる。ただ、本発明はクエンチング抵抗層の抵抗値をこれらの値に限定するものでなく、境界条件に応じて他の抵抗値を採用することもできる。
【００３２】
クエンチング抵抗層の厚さは、好ましくは１０μｍ〜１００μｍの範囲とできる。より好ましくは、クエンチング抵抗層の厚さは１０μｍを超え、２０μｍあるいは５０μｍとする。さらにクエンチング抵抗層の厚さは、好ましくは１０００μｍ未満、５００μｍ、２００μｍ、１００μｍあるいは５０μｍとできる。ただ本発明は、クエンチング抵抗層の厚さを上記数値例に限定するものでない。
【００３３】
ここでは下部ダイオード層（好ましくはアノード層）の厚さが、電子なだれ領域の厚さより概ね大きい。好ましくは、下部ダイオード層の厚さは１μｍを超えており、２μｍ、５μｍ又は１０μｍとできる。ただ本発明は、下部ダイオード層の厚さを上記数値例に限定するものでない。
【００３４】
ここでの上部ダイオード層の厚さは、好ましくは数十ｎｍ〜数百ｎｍとできる。より好ましくは、上部ダイオード層の厚さは５ｎｍを超え、１０ｎｍ、２０ｎｍ又は５０ｎｍとする。さらに上部ダイオード層の厚さは１０００ｎｍ未満であり、５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍ、２００ｎｍ、又は１００ｎｍとできる。ただ本発明は、上部ダイオード層の厚さを上記の数値例に限定するものでない。
【００３５】
ここではクエンチング抵抗層のドーピング濃度として、好ましくは０．５・１０12ｃｍ-3〜１０14ｃｍ-3の範囲としている。特に、クエンチング抵抗層におけるドーピング濃度は、０．５・１０12ｃｍ-3を超え、０．７・１０12ｃｍ-3又は１０12ｃｍ-3である。ただ本発明は、クエンチング抵抗層におけるドーピング濃度を上記範囲に限定するものでない。
【００３６】
また、この例では第一ドープ型が好ましくはｎ型ドーピングであり、第二ドープ型が好ましくはｐ型ドーピングである。ただ、本発明を第一ドープ型をｐ型ドーピングとし、第二ドープ型をｎ型ドーピングとする逆のドーピングの例によっても達成できることはいうまでもない。
【００３７】
さらにこの例では、上部ダイオード層及び連絡層が、好ましく比較的高濃度でドーピングされており、その一方でクエンチング抵抗層は半導体基板に従って、好ましくは比較的低濃度でドーピングされている。
【００３８】
さらにまた、半導体基板は、好ましくは単結晶である。
【００３９】
アバランシェフォトダイオードのさらに詳細な構造は、例えばＧ．ルッツの「半導体放射線検出器」第二版，スプリンガー出版，２００１年，２３９〜２４２頁（非特許文献２）に開示されており、この参考文献の内容全体を、本発明に係る構造体の構造及び機能のモードに関して本明細書中で援用する。
【００４０】
なお本発明に係るアバランシェフォトダイオードの例では、検出される照射を吸収するための照射入力窓が、好ましくは上部側に、つまり電子なだれ領域と同じ側に配置されている。
【００４１】
本発明に係る半導体基板の、垂直方向の長さ、すなわちアバランシェフォトダイオードの厚さは、クエンチング抵抗層の厚さによって実質的に決定される。ただ通常は、プロセスに必要な所定レベルの機械的安定性を保証するために、典型的な半導体ウェハとして数百μｍの厚さとなる。もちろん、アバランシェフォトダイオードの底部側の、一般にはｎ型ドーピングされる連絡層を、利用可能なあらゆる方法を用いて垂直方向に延設することもできる。
【００４２】
クエンチング抵抗層が横方向及び／又は垂直方向のドーピング分布を有する場合、さらなる利点が得られる。例えば、クエンチング抵抗層におけるドーピング濃度が、上方へ向かって増加するドーピング勾配を与えることができる。特に、小さい表面のアバランシェフォトダイオードの場合、あるいは比較的厚い抵抗層の場合には、空乏電極の効果（スペースチャージゾーン、空乏ゾーン）の結果として、広範囲な横方向空乏が、主に抵抗層の上部領域において生じることがある。これにより、クエンチング抵抗層のピンチオフを引き起こすことがある。半導体基板の上部領域においてドーピング濃度を上げることによって、スペースチャージゾーンの横方向の延出が有用に抑制され、ピンチオフが回避される。ドーピング濃度の変化を、例えば高エネルギーでアノードの下に導入されるｎ型イオン注入層を用いて、局所的に行うことができる。ただ、クエンチング抵抗層がエピタキシャルに成長する場合は、エピタキシ工程の際に、特に低い濃度にドープしたｎ層内の、垂直方向、横方向に配列が与えられていないドーピング分布を、特定の方法で調整することも可能である。
【００４３】
また製造に際しては、低濃度にｎ型ドーピングされるクエンチング抵抗層を、高濃度にｎ型ドーピングされるウェハ上にエピタキシャル成長させることも可能である。本発明の一態様において、連絡層は、このようにしてクエンチング抵抗層が配置される高濃度ドーピングされるウェハによって形成される。
【００４４】
代替的な任意選択では、例えばＱ．Ｙ．トン，Ｕ．ゴゼルの「半導体ウェハボンディング」ジョンンワイリー＆サンズ，ニューヨーク，１９９９年（非特許文献３）に記載される、ウェハボンディングとして知られる方法を用いることができる。この文献の内容全体を、ウェハボンディング技術に関して本明細書中に援用する。この場合、２つのシリコンウェハが、適切な表面前処理の後に、互いにモノシリックに接続される。下部ウェハは、この場合、安定的な機械的担持体として機能し、高濃度にｎ型ドーピングされる。これにより下部ウェハは、連絡層の機能を本発明の範囲内において実現する。一方、上部ウェハは低濃度にドーピングされ、ウェハボンディングの後およそクエンチング抵抗層の目標厚さまでグラインダーにかけられ、その後、必要なレベルの表面品質が得られるようにラップ盤にかけられてポリッシュ仕上げされる。このようにして得られたサンドイッチ構造を、さらなるプロセスの際に、標準ウェハと同じように扱うことができる。往々にして、トン，ゴゼルによる上記文献に記述されているように、ウェハはこの場合ボンディングに先立って酸化され、これによりＳＯＩ構造（ＳＯＩ：Silicon on Insulator）が形成される。エピタキシ方法に対するウェハボンディングの利点は、クエンチング抵抗層へのドーピングを選択する際に、より大きな自由度が得られる点が挙げられる。今日では、現代のエピタキシ設備は既に非常に高いオーム抵抗層を成長することができるが、ウェハ製造に利用可能なＦＺ結晶成長方法（ＦＺ：Float Zone）は、非常に高純度なシリコンの生成に優れている。
【００４５】
本発明のこの態様においては、アバランシェフォトダイオードは、このように、連絡層の底部側で配置されると共にアバランシェフォトダイオードを機械的に支持する担持層を備える。担持層を、例えばシリコン、二酸化シリコン、ガラス、特に石英ガラス、サファイア、セラミックあるいは高濃度にドーピングされた半導体材料で形成できる。ただ、他の材料を担持層に用いることも基本的に可能である。
【００４６】
また好ましくは、例えば二酸化シリコン等で形成される絶縁層を、連絡層と担持層との間に配置する。これは、特に少なくとも一方のウェハが、ボンディングに先立って酸化された２つのウェハを相互に接続した上述のＳＯＩ構造を用いた場合に該当する。
【００４７】
高い検出効率を達成できる１００×１００μｍよりも大きいマトリックスエレメントを有する検出器マトリックスを生成するには、垂直クエンチング抵抗器の断面積の大きさのため、非常に高いオーム抵抗層が必要とされる。そのような大きなマトリックスエレメントについては、原則として高いオーム抵抗のＦＺウェハを用いることが可能である。この厚さのため、絶縁領域は部分的にのみ空乏状態とすることが可能であり、その結果、クエンチング抵抗器は下部領域において分離されない。マトリックスエレメント（すなわち本発明に係るアバランシェフォトダイオードの一）のアクティブ化の際には、近隣のエレメントのアノードが、同様にわずかに放電する。これらの近隣のエレメントが充電期間内に作動すれば、それらの信号は低下し、これにより個々の光子スペクトルが広がる。信号レートが低い用途において、この点は重要でないため、この場合はコスト効率に優れたプロセスを優先して、隣接したアバランシェフォトダイオードの完全な分離を省略できる。
【００４８】
本発明のさらに他の態様では、空乏電極の効果を、半導体基板にドープ領域を配置することによって向上できる。ドープ領域は、クエンチング抵抗層の横方向に隣接して配置され、第二ドープ型にドーピングされる。これにより、好適には（分離された空乏電極に加えて）より小さい電圧で半導体基板の絶縁した空乏状態の部分を空乏状態にする可能性が実現される。ｐドープ層と隣接したｎドープ層との間に生成される固有の電位は、特に低濃度にドーピングされる半導体基板において十分に延びた真性スペースチャージゾーンを生じる。電圧に応じたスペースチャージゾーンの延長の根状の依存性のために、この種のｐ層は、半導体基板の底部側に配置される場合、特に有効である。
【００４９】
なお本発明は、個々のコンポーネントとしての、本発明に係る上述のアバランシェダイオードにのみ限定されない。また本発明は、相互に隣接して配置される本発明に係る複数の例のアバランシェフォトダイオードを有するアバランシェ照射検出器を含む。アバランシェフォトダイオードは、好ましくは直線状の行と列のマトリックスの形状に、あるいは規則的な六角形状の幾何学的配置、あるいは変形された幾何学的配置を有する形状に配置される。規則的な六角形状の幾何学的配置は、特に高密度で面積の無駄が少ないアバランシェフォトダイオードを提供できるという利点を有する。
【００５０】
この場合、個々のアバランシェフォトダイオードは、好ましくは共通の増幅器と並列に接続される。この結果によるアバランシェ照射検出器の局所的分解能は上述の通りである。この種の配置には、アバランシェフォトダイオードのうちの１つのアクティブ化に際して、他のアバランシェフォトダイオードが検知可能な状態のままにあり、このため光子が異なるエレメントに届いたときにも光子をカウント可能という利点がある。その後、増幅器によって測定された信号の強さは、アクティブ化されたダイオードの数に基づいて照射の強さを決定するために利用できる。
【００５１】
本発明に係るアバランシェ照射検出器の一の態様において、個々のアバランシェフォトダイオードの上部ダイオード層（好ましくはカソード層）は、いくつかの隣接したアバランシェフォトダイオードにわたって横方向に延びており、上部ダイオード層は好ましくはアバランシェフォトダイオードのすべてを検出する。一方、個々のアバランシェフォトダイオードの下部ダイオード層（好ましくはアノード層）は、この態様ではそれぞれの場合において、隣接したアバランシェフォトダイオード間で途切れていると共に、中間スペースを有する。上部ダイオード層は、こうして、隣接したアバランシェフォトダイオード間の中間スペースにおいて下部ダイオード層から遮蔽されず、これにより、上部ダイオード層は空乏電極として中間スペースにおいて機能すると共に、中間スペースにおいて半導体基板を空乏状態とし、この結果隣接したアバランシェフォトダイオードは相互に電気的に絶縁される。
【００５２】
あるいは、上部ダイオード層をそれぞれの場合隣接したアバランシェフォトダイオード間で途切れさせ、その場合中間スペースにおける半導体基板を空乏状態とするために別の空乏電極を中間スペースにおける配置することも可能である。個々のアバランシェフォトダイオードがマトリックス状に配置される場合、空乏電極をその場合にはグリッド状に配置することができ、アバランシェフォトダイオードから独立して制御することができる。
【００５３】
本発明に係るアバランシェ照射検出器の一の態様において、個々のアバランシェフォトダイオードは共通の接続ラインを介して増幅器に接続されており、接続ラインは、すべてのアバランシェフォトダイオードが集合的に有する共通の上部ダイオード層と連絡する。
【００５４】
あるいはまた、個々のアバランシェフォトダイオードが、いくつかの並列接続ラインを介して増幅器に接続されており、その個々の接続ラインはそれぞれがそれぞれのアバランシェフォトダイオードを取り囲んでいる領域における上部ダイオード層と連絡することもできる。これにより、比較的小さい電圧降下が上部ダイオード層に沿って生じるのみであるという利点が得られる。信号が最も近い接続ラインを介して直接的に消散されるからである。
【００５５】
本発明の一の展開において、また、隣接したアバランシェフォトダイオード間のあらゆる光学的クロストークを防止するために、隣接したアバランシェフォトダイオードが相互に光学的に分離される。この光学的絶縁は、好ましくは、隣接したアバランシェフォトダイオード間にエッチングされると共にアバランシェフォトダイオードにおいて生成された光子を吸収又は反射する絶縁溝よりなる。この場合、絶縁溝は、第二ドープ型にドーピングされ、及び／又は上部ダイオードの電位にある溝壁を備えることができる。
【００５６】
本発明の他の有用な展開は、以下の特許請求の範囲において特徴付けられ、あるいは、この後、以下の図面を参照して好ましい例示的な実施の形態の説明を用いてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】クエンチング抵抗器及び結合キャパシタンスを有する、本発明に係るアバランシェフォトダイオードの等価回路図である。
【図２】図１のアバランシェフォトダイオードの電圧−電流特性曲線を示すグラフである。
【図３】本発明に係る２つのアバランシェフォトダイオードを示す、本発明に係るアバランシェ照射検出器の一部の断面図である。
【図４】底部側にキャリアウェハを有する図３の例示的な実施形態の変形例を示す模式図である。
【図５】ウェハボンディングによって製造される、図４の例示的な実施形態の変形例を示す模式図である。
【図６】隣接したアバランシェフォトダイオード間の中間スペースにおける半導体基板が底部側まで完全には空乏状態になっていない、図３の例示的な実施形態の変形例を示す模式図である。
【図７】カソード層が隣接したアバランシェフォトダイオード間の中間スペースにおいて途切れており、空乏効果が別の空乏電極によって生じている、図３の例示的な実施形態の変形例を示す模式図である。
【図８】光学的絶縁が隣接したアバランシェフォトダイオード間の中間スペースに配置されている、図３の例示的な実施形態の変形例を示す模式図である。
【図９】いくつかの接続ラインが配置された、図３の例示的な実施形態の変形例を示す模式図である。
【図１０】ドーピングされた領域が配置されている、図３の例示的な実施形態の変形例を示す模式図である。
【図１１】それぞれの場合において、増幅器がそれぞれのダイオードに対して追加的に配置されている、図５の例示的な実施形態の変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
図１は、本発明に係るアバランシェフォトダイオード１の等価回路図を示す。アバランシェフォトダイオード１は、多数のさらなるアバランシェフォトダイオード１を有するアバランシェ照射検出器においてマトリックス状に配置され、照射を検出する目的で用いられる。
【００５９】
アバランシェフォトダイオード１は、実際のコンポーネントとして、読み出しノード２（仮想アース）とリロードノード３との間に共に接続される、概念的なダイオードキャパシタンスＣDを有する概念的なアバランシェダイオードＡＤの並列回路よりなる。
【００６０】
さらに、アバランシェフォトダイオード１は、実際のコンポーネントとして、概念的なクエンチング抵抗器ＲQ及び結合キャパシタンスＣCよりなる並列回路を備える。この並列回路は、リロードノード３とバイアス電圧ノード４との間に接続される。
【００６１】
読み出しノード２は、マトリックス状の検出器構造のすべてのアバランシェフォトダイオード１の出力信号を測定する増幅器５に接続される。
【００６２】
一方、バイアス電圧ノード４は動作の際にバイアス電圧ＵBIASによって影響を受ける。バイアス電圧ＵBIASは、アバランシェフォトダイオード１の降伏電圧ＵAVALANCHEより大きく、そのため、アバランシェダイオードにおいて信号電荷キャリアが照射生成によって発生することにより、直ちに電子なだれ降伏が生じる。また図２の特性曲線グラフにおいて、アバランシェフォトダイオードは、点線に沿って動作点６から動作点７へ移る。さらに動作点７において、クエンチング抵抗器ＲQの低下していく電圧が電流を次第に制限し、その結果、アバランシェフォトダイオード１は、特性曲線に沿って動作点７から動作点８へと移る。動作点８において、アバランシェフォトダイオード１を通る電流が、この時点では僅かに約２０μＡであり、その結果電流は少なくとも短時間で０へと変化し、これによりなだれが停止する。したがってアバランシェフォトダイオード１は、動作点８から動作点９へ、その後元の動作点６移る。
【００６３】
次に、本発明に係るアバランシェフォトダイオード１の構造を、図３を参照して以下に説明する。この場合、相互に隣接する２つのアバランシェフォトダイオードを例示する。複数のアバランシェフォトダイオードは、本発明に係るアバランシェ照射検出器を形成する。
【００６４】
半導体基板１１の底部側１０に、アバランシェフォトダイオード１は横方向に連続的に高濃度にｎ型ドーピングされた接層１２を備える。
【００６５】
反対側の上部側１３には、光学フィルタ層１４が配置される。光学フィルタ層１４自体は、例えば反射低減の目的で従来より既知であり、詳細説明は不要と思われるので省略する。
【００６６】
数十ｎｍ〜数百ｎｍの層厚ｄKの高濃度にｐ型ドーピングされたカソード層１５が、光学フィルタ層１４の下に配置される。カソード層１５は、横方向に配列が与えられておらず、これから詳細に説明する検出器構造の全幅にわたって連続である。アバランシェ照射検出器において、カソード層１５は接点２４を介して増幅器５に接続される。
【００６７】
ｎ型ドーピングされたアノード層１６が、カソード層１５の下に配置される。アノード層１６は横方向に制限されており、隣接したアバランシェフォトダイオード１間に中間スペース１７を空けている。中間スペース１７は、カソード層１５が２つの隣接したアバランシェフォトダイオード１間の中間スペース１７において半導体基板１１を完全に空乏状態とすることを保証し、これにより、隣接したアバランシェフォトダイオード１は、中間スペース１７における空乏状態によって相互に電気的に絶縁される。
【００６８】
入力照射が電子なだれ降伏を生じさせる電子なだれ領域がカソード層１５とその下に配置されるアノード層１６との間に配置される。
【００６９】
また、低濃度にｎ型ドーピングされるクエンチング抵抗層１８がアノード層１６の下に配置される。この場合、アノード層１６が、横方向制限クエンチング抵抗層１８をその上に配置されるカソード層１５の空乏効果から遮蔽し、このため、クエンチング抵抗層１８は空乏状態にならない。
【００７０】
したがって、この例示的な実施形態の場合は、カソード層１５は横方向にアノード層１６を越えて中間スペース１７へと突出すること、このためカソード層１５が、中間スペース１７において半導体基板１１を空乏状態にする空乏電極を、中間スペース１７に形成することが重要である。
【００７１】
この場合、アノード層１６の厚さはマイクロメーターの範囲にあるｄAであり、一方、クエンチング抵抗層１８の厚さは１０μｍ〜約１００μｍの範囲にあるｄRである。
【００７２】
図４に示す例示的な実施形態は、図３に示した上述の例示的な実施形態に多くが対応している。このため、繰り返しを避けるために、上記説明を参照し、同じ参照符号を対応する部分に用いる。
【００７３】
この例示的な実施形態の一の特徴は、高濃度にｎ型ドーピングされた担持体ウェハを用いて下部連絡層１２が形成されるということにある。
【００７４】
この例示的な実施形態の製造においては、クエンチング抵抗層１８は、連絡層１２上にエピタキシャルに成長する。
【００７５】
図５に示す例示的な実施形態も、また、上述の例示的な実施形態に多くが対応している。このため、繰り返しを避けるために、上記説明を参照し、同じ参照符号を対応する部分に用いる。
【００７６】
また、この例示的な実施形態の一の特徴は、絶縁層１９が連絡層１２の下に配置されるということにある。
【００７７】
この場合、担持層２０がさらに絶縁層１９の下に配置される。担持層２０を例えばシリコンあるいはガラスから形成することができる。
【００７８】
したがって、これはウェハボンディングによって製造される、導入部分において既に説明したＳＯＩ構造を構成する。
【００７９】
図６に示す例示的な実施形態も、また、図３に示した上述の例示的な実施形態に多くが対応している。このため、繰り返しを避けるために、上記説明を参照し、同じ参照符号を対応する部分に用いる。
【００８０】
この例示的な実施形態の一の特徴は、中間スペース１７におけるカソード層１５の空乏効果が底部側１０の連絡層１２まで延びていないということにある。一方、空乏電極として機能するカソード層１５が、中間スペース１７のみにおいて、深さ方向に部分的に延びている１つの空乏孤立部を形成している。
【００８１】
図７に示す例示的な実施形態も、また、図３に示した上述の例示的な実施形態に多くが対応している。このため、繰り返しを避けるために、上記説明を参照し、同じ参照符号を対応する部分に用いる。
【００８２】
この場合の一の特徴は、カソード層１５が横方向に連続的ではなく、中間スペース１７において途切れているということにある。
【００８３】
これに代わって、中間スペース１７には、別の空乏電極２１がある。簡単化のためここでは図示していないが、空乏電極２１を、アバランシェフォトダイオード１から独立して制御することができる。
【００８４】
さらに、この場合、隣接したアバランシェフォトダイオードのカソード層１５は、ラインエレメント２２を用いて相互に電気的に接続される。
【００８５】
図８は、また、さらに図３に示した上述の例示的な実施形態に多くが対応している例示的な実施形態を示す。このため、繰り返しを避けるために、上記説明を参照し、同じ参照符号を対応する部分に用いる。
【００８６】
一の特徴は、隣接したアバランシェフォトダイオード間の中間スペース１７に、あらゆる光学的クロストークを防止するために、隣接したアバランシェフォトダイオードを光学的に相互に分離する光学的絶縁が配置される。
【００８７】
光学的絶縁は、中間スペース１７において半導体基板１１へとエッチングされた絶縁溝２３よりなる。絶縁溝は光子を吸収し、及び／又は反射する。
【００８８】
最後に、図９に示す例示的な実施形態も、また、図３に示した上述の例示的な実施形態に多くが対応している。このため、繰り返しを避けるために、上記説明を参照し、同じ参照符号を対応する部分に用いる。
【００８９】
この例示的な実施形態の一の特徴は、増幅器５への接続が、単一の接続ラインを用いて確立されるのではなく、並列に電気的に接続されるいくつかの接続ライン２４，２５を用いて確立されることにある。これにより、カソード層１５に沿ったどのような極端に大きな電圧降下の発生も防止される。
【００９０】
図１０及び図１１は、図３に示した上述の例示的な実施形態のさらなる変形例を示す。繰り返しを避けるために、上記説明を参照し、同じ参照符号を対応する部分に用いる。
【００９１】
図１０に示す例示的な実施形態の特徴は、中間スペース１７の下部部分にｐドープ領域２５を配置することにある。ドープ領域２５は、真性スペースチャージゾーンを生成する。真性スペースチャージゾーンを用いて、クエンチング抵抗器１８の横方向に隣接している半導体基板１１が、さらに空乏状態にされる。スペースチャージゾーンは、アノード層１６に対して横方向の空乏電極１５によって生成される上部スペースチャージゾーンによって覆われる。
【００９２】
なおｐドープ領域２５は、中間スペース１７の下部部分に限定する必要はない。この領域をアノード層１６の下の横方向に延ばすことによって、クエンチング抵抗層１８をさらに制限することができ、この結果その抵抗値を増加することができる。
【００９３】
図１１に示す例示的な実施形態の場合には、読み出し増幅器５が、フォトダイオードの裏側に配置されており、測定信号を局所的に分解するようにして読み取ることを可能にする。
【００９４】
以上説明した幾何学的構造は、個々の光子の時間的に分解したカウントを容易にするものの、局所的に分解した検出（イメージング）を容易にするものではない。この目的を達成するには、読み出しノードの一をセグメント化しなければならず、その結果、理想的にはそれぞれのアバランシェフォトダイオードがそれ自身の読み出しノードを得る。しかしながら、大きな、微細にセグメント化された検出器の場合は、スペース上の制約のため、必要な接続ラインを横方向に配置することができない。バンプボンディングあるいはＳＬＩＤ（Solid Liquid Interdiffusion：固体液体相互拡散、Ａ．クンプらの「チップ間バイア及び固体液体相互拡散ボンディングを用いた垂直システム集積」ＪＪＡＰ４３巻７Ａ，２００４年参照）等の三次元の一体化法を用いれば、種々の技術で製造されるシステムコンポーネントを、金属接点を介して垂直方向に接続することができる。このようなシステムを、例えばアバランシェダイオードセンサーチップと、複数の増幅器を有する高集積読み出しチップとで構成できる。この場合、上部側の光学的入力窓を隠さないように、読み出しチップは裏側に装着する必要がある。
【００９５】
図５に示した、ウェハボンディング方法を用いた例の実施形態は、図１１に示すように位置検出器に変更できる。このために、裏側連絡層１２は、好ましくはウェハボンディングに先立って配列を与えるよう導入される。ｎ＋ドーピングされた連絡層１２を有する実施形態の場合、アイソレーティングｐ層２５が中間スペースに必要である（図１１）。センサチップを有するウェハの処理の後、キャリアウェハ２０が好ましくはエッチングによって除去される。また絶縁層１９をエッチストップとして用いることができる。その後、接点穴が絶縁層にエッチングされ、金属で被覆される。読み出しチップは、上記説明した方法を用いて連絡される。図１１は、読み出しチップの増幅器５を概略的に示している。
【００９６】
本発明は、上述の好ましい例示的な実施形態に限定するものでなく、本発明の概念に従って複数の変形及び変更が可能であり、これらも保護範囲内となる。
【符号の説明】
【００９７】
１…アバランシェフォトダイオード
２…読み出しノード
３…リロードノード
４…バイアス電圧ノード
５…増幅器
６…動作点
７…動作点
８…動作点
９…動作点
１０…底部側
１１…半導体基板
１２…連絡層
１３…上部側
１４…光学フィルタ層
１５…カソード層
１６…アノード層
１７…中間スペース
１８…クエンチング抵抗層
１９…絶縁層
２０…担持層
２１…空乏電極
２２…ラインエレメント
２３…絶縁溝
２４…接点
２５…ドープ領域
ＡＤ…アバランシェダイオード
ＣC…結合キャパシタンス
ＣD…ダイオードキャパシタンス
ＲQ…クエンチング抵抗器
ＵBIAS…バイアス電圧
【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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