(57)【要約】【課題】光検出精度が確保されていると共に、光検出の分解能が向上されている光検出装置を提供する。【解決手段】ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤと、対応するアバランシェフォトダイオードＡＰＤに電気的に接続されており、かつ、半導体基板５０を厚み方向に貫通している複数の貫通電極ＴＥと、を備える。半導体基板５０は、第一主面１Ｎａ上に、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤが第一方向に配列されているアバランシェフォトダイオード領域αと、複数の貫通電極ＴＥが二次元配列されている貫通電極領域βとを有する。アバランシェフォトダイオード領域αと貫通電極領域βとは、第一主面１Ｎａに直交する方向から見て、第一方向と直交する第二方向に並んでいる。【選択図】図２
2018078246.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第一主面及び第二主面を含む半導体基板を有する光検出装置であって、
ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードと、
対応する前記アバランシェフォトダイオードに電気的に接続されており、かつ、前記半導体基板を厚み方向に貫通している複数の貫通電極と、を備え、
前記半導体基板は、前記第一主面上に、前記複数のアバランシェフォトダイオードが第一方向に配列されているアバランシェフォトダイオード領域と、前記複数の貫通電極が二次元配列されている貫通電極領域とを有し、
前記アバランシェフォトダイオード領域と前記貫通電極領域とは、前記第一主面に直交する方向から見て、前記第一方向と直交する第二方向に並んでいる、光検出装置。
【請求項２】
前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち前記第一方向において互いに異なる位置に配置されているアバランシェフォトダイオードは、それぞれ、前記複数の貫通電極のうち異なる貫通電極と電気的に接続されている、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記アバランシェフォトダイオード領域は、前記第一方向を長手方向とする矩形形状であり、
前記複数のアバランシェフォトダイオードは、前記アバランシェフォトダイオード領域に二次元配列されている、請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記複数のアバランシェフォトダイオードは、前記第一方向に一列に配列されている複数の画素を構成し、
同一の前記画素に含まれている複数の前記アバランシェフォトダイオードは、同一の前記貫通電極と電気的に接続されている、請求項３に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記複数のアバランシェフォトダイオードは、前記第一方向において１列に配列されている、請求項１又は２に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記半導体基板は、前記複数の貫通電極が配置されている複数の貫通孔を有し、
前記アバランシェフォトダイオードのピッチは、前記第一主面における前記貫通孔の開口の直径よりも小さい、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記貫通電極領域は、前記第二方向で離間している第一及び第二領域を含み、
前記アバランシェフォトダイオード領域は、前記第一及び第二領域の間に位置している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項８】
前記複数の貫通電極は、前記第一及び第二領域の各々において、前記第一主面に直交する方向から見て、前記第一方向が行方向であり前記第二方向が列方向である行列状に配列されており、
前記第二領域に含まれている複数の貫通電極が配列されている列と、前記第一領域に含まれている複数の貫通電極が配列されている列とは、同一直線上に位置する、請求項７に記載の光検出装置。
【請求項９】
前記複数のアバランシェフォトダイオードは、前記第一方向で交互に並ぶ第一アバランシェフォトダイオード群と第二アバランシェフォトダイオード群とに分けられ、
前記第一及び第二領域において前記同一直線上に配列されている複数の貫通電極は、互いに隣り合う前記第一及び第二アバランシェフォトダイオード群に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードとそれぞれ電気的に接続されており、
前記第一アバランシェフォトダイオード群に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードは、前記第一方向において前記アバランシェフォトダイオード領域の一端側に近いアバランシェフォトダイオードほど、前記第一領域において前記列方向に配列された前記複数の貫通電極のうち、前記アバランシェフォトダイオード領域から遠い前記貫通電極と電気的に接続されており、
前記第一アバランシェフォトダイオード群と隣り合う前記第二アバランシェフォトダイオード群に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードは、前記第一方向において前記一端側に近いアバランシェフォトダイオードほど、前記第二領域において前記列方向に配列された前記複数の貫通電極のうち、前記アバランシェフォトダイオード領域に近い前記貫通電極と電気的に接続されている、請求項８に記載の光検出装置。
【請求項１０】
前記アバランシェフォトダイオード領域において、前記第一領域に位置する貫通電極と電気的に接続されているアバランシェフォトダイオードと前記第二領域に位置する貫通電極と電気的に接続されているアバランシェフォトダイオードとが前記第一方向において交互に配列されている、請求項７又は８に記載の光検出装置。
【請求項１１】
前記複数の貫通電極は、前記第一及び第二領域の各々において、前記第一主面に直交する方向から見て、前記第一方向が行方向であり前記第二方向が列方向である行列状に配列されており、
前記複数のアバランシェフォトダイオードは、前記第一方向で交互に並ぶ第一アバランシェフォトダイオード群と第二アバランシェフォトダイオード群とに分けられ、
前記第一アバランシェフォトダイオード群に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードは、前記第一方向において前記アバランシェフォトダイオード領域の一端側に近いアバランシェフォトダイオードほど、前記第一領域において前記列方向に配列された複数の貫通電極のうち、前記アバランシェフォトダイオード領域から遠い前記貫通電極と電気的に接続されており、
前記第二アバランシェフォトダイオード群に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードは、前記第一方向において前記アバランシェフォトダイオード領域の一端側に近いアバランシェフォトダイオードほど、前記第二領域において前記列方向に配列された複数の貫通電極のうち、前記アバランシェフォトダイオード領域から遠い前記貫通電極と電気的に接続されている、請求項７に記載の光検出装置。
【請求項１２】
前記複数のアバランシェフォトダイオードと前記複数の貫通電極とを電気的に接続する直線形状の複数の配線を更に備え、
前記複数の貫通電極は、前記第一方向において所定のピッチで配列されており、
前記アバランシェフォトダイオード領域における前記複数のアバランシェフォトダイオードは、前記第一方向において前記所定のピッチの１／２以下のピッチで配列されており、
前記アバランシェフォトダイオード領域では、前記第一領域に位置する貫通電極に前記配線によって電気的に接続されたアバランシェフォトダイオードと、前記第二領域に位置する貫通電極に前記配線によって電気的に接続されたアバランシェフォトダイオードと、が交互に配列されている、請求項７に記載の光検出装置。
【請求項１３】
前記複数の貫通電極と前記複数のアバランシェフォトダイオードとを接続する複数の配線を更に備え、
前記複数の配線の長さは、いずれも同等である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項１４】
前記半導体基板の前記第二主面と対向して配置されている搭載基板を更に有し、
前記搭載基板は、前記複数の貫通電極の各々と、複数のバンプ電極によって電気的に接続されている、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項１５】
前記半導体基板の前記第二主面と対向して配置されている搭載基板を更に有し、
前記搭載基板は、前記複数のアバランシェフォトダイオードの各々に対して、電気的に接続されているクエンチング抵抗を有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
互いに対向する第一主面及び第二主面を含む半導体基板を有する光検出装置であって、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードと、対応するアバランシェフォトダイオードと電気的に接続され、かつ、半導体基板を厚み方向に貫通している複数の貫通電極と、を備えている光検出装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−８９９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、光検出精度が確保されていると共に、光検出の分解能が向上されている光検出装置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】
【０００５】
本発明者らは、調査研究の結果、以下のような事実を新たに見出した。
【０００６】
複数の画素を有する光検出装置において光検出の分解能が向上される場合、各画素の大きさを縮小して画素間のピッチを狭める必要がある。各画素の光感度は、画素の大きさが小さいほど低い。したがって、画素間のピッチが狭められると、光検出精度が低下しがちである。このため、光検出精度を確保しつつ光検出の分解能を向上することは困難である。
【０００７】
光感度を確保するために、各画素をガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードによって構成することが考えられる。ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードでは、ブレークダウン電圧以上の逆方向電圧が印加されているため、画素の大きさが同じ一般的なフォトダイオードよりも格段に高い光感度を有する。
【０００８】
しかし、アバランシェフォトダイオードからの信号出力に貫通電極を用いる場合、画素毎に設けられる貫通電極の配置スペースによって、画素間のピッチが制限される。このため、光検出の分解能は向上され難い。一方、アバランシェフォトダイオードからの信号出力にワイヤボンディング等の手法を用いる場合、画素間のピッチが小さいと、ワイヤ配置の物理的制約及びワイヤ間において寄生容量の発生等により、時間応答性の低下及びノイズの発生が生じるおそれがある。時間応答性の低下及びノイズの発生が生じると、光検出精度が低下する。
【０００９】
そこで、本発明者らは、光検出精度が確保されると共に、光検出の分解能が向上され得る構成について鋭意研究を行った。
【００１０】
この結果、本発明者らは、半導体基板が、第一主面に直交する方向から見て、複数のアバランシェフォトダイオードが第一方向に配列されているアバランシェフォトダイオード領域と、複数の貫通電極が二次元配列されている貫通電極領域とを有し、アバランシェフォトダイオード領域と貫通電極領域とは、第一方向と直交する第二方向に並んでいるという構成を見出すに至った。
【００１１】
この構成では、貫通電極が二次元配列されている貫通電極領域とアバランシェフォトダイオードが配列されているアバランシェフォトダイオード領域とが別に設けられているため、貫通電極の配置スペースを考慮することなく、アバランシェフォトダイオードによって構成される画素間のピッチが狭められる。画素間のピッチが狭められることで、光検出の分解能が向上される。複数のアバランシェフォトダイオード及び複数の貫通電極が用いられているため、光感度が確保されていると共に、時間応答性の確保及びノイズの発生の抑制が実現され得る。したがって、光検出精度が確保され得ると共に、光検出の分解能が向上され得る。
【００１２】
本発明に係る光検出装置は、互いに対向する第一主面及び第二主面を含む半導体基板を有する光検出装置であって、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードと、対応するアバランシェフォトダイオードと電気的に接続され、かつ、半導体基板を厚み方向に貫通している複数の貫通電極と、を備え、半導体基板は、第一主面上に、複数のアバランシェフォトダイオードが第一方向に配列されているアバランシェフォトダイオード領域と、複数の貫通電極が二次元配列されている貫通電極領域とを有し、アバランシェフォトダイオード領域と貫通電極領域とは、第一主面に直交する方向から見て、第一方向と直交する第二方向に並んでいる。
【００１３】
本発明に係る光検出装置では、半導体基板は、第一主面に直交する方向から見て、複数のアバランシェフォトダイオードが第一方向に配列されているアバランシェフォトダイオード領域と、複数の貫通電極が二次元配列されている貫通電極領域とを有し、アバランシェフォトダイオード領域と貫通電極領域とは、第一方向と直交する第二方向に並んでいる。このため、光検出精度が確保されていると共に、光検出の分解能が向上されている。
【００１４】
複数のアバランシェフォトダイオードのうち第一方向において互いに異なる位置に配置されているアバランシェフォトダイオードは、それぞれ、複数の貫通電極のうち異なる貫通電極と電気的に接続されていてもよい。すなわち、第一方向に並ぶアバランシェフォトダイオード毎に貫通電極を設けることで画素が構成されている。このため、第一方向におけるアバランシェフォトダイオードのピッチを狭めることで、第一方向における光検出の分解能が更に向上され得る。
【００１５】
更に、アバランシェフォトダイオード領域は、第一方向を長手方向とする矩形形状であり、複数のアバランシェフォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード領域に二次元配列されていてもよい。この場合、複数のアバランシェフォトダイオードによって形成される画素が第二方向に広がるので、各画素における光感度が向上する。したがって、第一方向における光検出の分解能が更に向上され得る。
【００１６】
複数のアバランシェフォトダイオードは、第一方向に一列に配列されている複数の画素を構成していてもよい。この場合、同一の画素に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードは、同一の貫通電極と電気的に接続されるように構成されてもよい。
【００１７】
複数のアバランシェフォトダイオードは、第一方向において１列に配列されていてもよい。この場合、第一方向と直交する方向に、複数のアバランシェフォトダイオードが配置されていないため、背景光の受光が抑制されている。したがって、背景光の受光に起因するダークカウントレートが低減されるため、光検出精度の確保が容易である。
【００１８】
半導体基板は、複数の貫通電極が配置されている複数の貫通孔を有し、アバランシェフォトダイオードのピッチは、第一主面における貫通孔の開口の直径よりも小さくてもよい。この場合、アバランシェフォトダイオードのピッチが貫通孔の開口の直径よりも狭いので、光検出の分解能が向上されている。
【００１９】
貫通電極領域は、第二方向で離間している第一及び第二領域を含み、アバランシェフォトダイオード領域は、第一及び第二領域の間に位置していてもよい。この場合、貫通電極が配列され得る貫通電極領域の面積が増加するので、貫通電極とアバランシェフォトダイオードとを接続する配線の密度が縮小され得る。したがって、画素間のピッチが更に狭められても、配線間で生じる寄生容量の発生等が抑制され得る。このため、光検出精度が確保されていると共に、光検出の分解能が更に向上されている光検出装置を提供できる。
【００２０】
複数の貫通電極は、第一及び第二領域の各々において、第一主面に直交する方向から見て、第一方向が行方向であり第二方向が列方向である行列状に配列されており、第一領域に含まれている複数の貫通電極が配列されている列と、第二領域に含まれている複数の貫通電極が配列されている列とは、同一直線上に位置してもよい。この場合、貫通電極が一定のピッチで配列されており、第一領域と第二領域とで列にズレがないので、貫通電極が配置される貫通孔の形成が容易である。このため、光検出精度が確保されていると共に、光検出の分解能が向上されている光検出装置を容易に提供できる。
【００２１】
複数のアバランシェフォトダイオードは、第一方向で交互に並ぶ第一アバランシェフォトダイオード群と第二アバランシェフォトダイオード群とに分けられ、第一及び第二領域において同一直線上に配列されている複数の貫通電極は、互いに隣り合う第一及び第二アバランシェフォトダイオード群に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードとそれぞれ電気的に接続されており、第一アバランシェフォトダイオード群に含まれている、複数のアバランシェフォトダイオードは、第一方向においてアバランシェフォトダイオード領域の一端側に近いアバランシェフォトダイオードほど、第一領域において列方向に配列された複数の貫通電極のうち、アバランシェフォトダイオード領域から遠い貫通電極と電気的に接続されており、上記第一アバランシェフォトダイオード群と隣り合う第二アバランシェフォトダイオード群に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードは、第一方向において上記一端側に近いアバランシェフォトダイオードほど、第二領域において列方向に配列された複数の貫通電極のうち、アバランシェフォトダイオード領域に近い貫通電極と電気的に接続されていてもよい。この場合、第一方向において隣り合うアバランシェフォトダイオード間において、アバランシェフォトダイオードと貫通電極との配線長の差が比較的小さい。このため、一端側から順にアバランシェフォトダイオードからの信号を読み込んだ場合に、隣り合うアバランシェフォトダイオード間の配線長差による信号出力の時間ズレが少ない。したがって、第一方向で順にアバランシェフォトダイオードからの信号を読み込んだ場合に、光検出装置の後段において信号の処理が容易である。
【００２２】
アバランシェフォトダイオード領域において、第一領域に位置する貫通電極と電気的に接続されているアバランシェフォトダイオードと第二領域に位置する貫通電極と電気的に接続されているアバランシェフォトダイオードとが第一方向において交互に配列されていてもよい。この場合、アバランシェフォトダイオードと貫通電極とを接続する配線を配置するスペースが広がるので、配線の密度が縮小され得る。したがって、画素間のピッチが更に狭められても、配線間で生じる寄生容量の発生等が抑制され得る。このため、光検出精度が確保されていると共に、光検出の分解能が更に向上されている光検出装置を提供できる。
【００２３】
複数の貫通電極は、第一及び第二領域の各々において、第一主面に直交する方向から見て、第一方向が行方向であり第二方向が列方向である行列状に配列されており、複数のアバランシェフォトダイオードは、第一方向で交互に並ぶ第一アバランシェフォトダイオード群と第二アバランシェフォトダイオード群とに分けられ、第一アバランシェフォトダイオード群に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードは、第一方向においてアバランシェフォトダイオード領域の一端側に近いアバランシェフォトダイオードほど、第一領域において列方向に配列された複数の貫通電極のうち、アバランシェフォトダイオード領域から遠い貫通電極と電気的に接続されており、第二アバランシェフォトダイオード群に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードは、第一方向においてアバランシェフォトダイオード領域の一端側に近いアバランシェフォトダイオードほど、第二領域において列方向に配列された複数の貫通電極のうち、アバランシェフォトダイオード領域から遠い貫通電極と電気的に接続されていてもよい。この場合、第一アバランシェフォトダイオード群と第二アバランシェフォトダイオード群とで、第一及び第二アバランシェフォトダイオード群の各群におけるアバランシェフォトダイオードと貫通電極との間の配線長は、アバランシェフォトダイオードの第一方向での位置に応じて同様に変化する。
【００２４】
複数のアバランシェフォトダイオードと複数の貫通電極とを電気的に接続する直線形状の複数の配線を更に備え、複数の貫通電極は、第一方向において所定のピッチで配列されており、アバランシェフォトダイオード領域における複数のアバランシェフォトダイオードは、第一方向において所定のピッチの１／２以下のピッチで配列されており、アバランシェフォトダイオード領域では、第一領域に位置する貫通電極に配線によって電気的に接続されたアバランシェフォトダイオードと、第二領域に位置する貫通電極に配線によって電気的に接続されたアバランシェフォトダイオードと、が交互に配列されていてもよい。この場合、配線が配置されるスペースが広がるので、配線の密度が縮小され得る。したがって、画素間のピッチが更に狭められても、配線間で生じる寄生容量の発生等が抑制され得る。このため、光検出精度が確保されていると共に、光検出の分解能が更に向上されている光検出装置を提供できる。
【００２５】
複数の貫通電極と複数のアバランシェフォトダイオードとを接続する複数の配線を更に備え、複数の配線の長さは、いずれも同等であってもよい。この場合、アバランシェフォトダイオードからの信号読み込みにおいて、信号出力の時間ズレが低減されている。したがって、光検出装置の後段において信号の処理が容易である。
【００２６】
半導体基板の第二主面と対向して配置されている搭載基板を更に有し、搭載基板は、複数の貫通電極の各々と、複数のバンプ電極によって電気的に接続されていてもよい。この場合、バンプ電極を用いているため、ワイヤボンディング等の手法を用いた場合よりも、時間応答性が向上すると共にノイズが低減されている。したがって、光検出精度の確保が容易である。
【００２７】
半導体基板の第二主面と対向して配置されている搭載基板を更に有し、搭載基板は、複数のアバランシェフォトダイオードの各々に対して、電気的に接続されているクエンチング抵抗を有してもよい。この場合、クエンチング抵抗が搭載基板に搭載されているため、配線を配置するスペースが広がり、配線の密度が縮小され得る。したがって、画素間のピッチが更に狭められても、配線間で生じる寄生容量の発生等が抑制され得る。このため、光検出精度が確保されていると共に、光検出の分解能が更に向上されている光検出装置を提供できる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、光検出精度が確保されていると共に光検出の分解能が向上されている光検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態に係る光検出装置を示す概略斜視図である。
【図２】半導体光検出素子の概略拡大図である。
【図３】半導体光検出素子の断面構成を説明するための図である。
【図４】搭載基板の概略平面図である。
【図５】光検出装置の回路図である。
【図６】本実施形態の変形例に係る半導体光検出素子の概略拡大図である。
【図７】本実施形態の変形例に係る半導体光検出素子の概略拡大図である。
【図８】本実施形態の変形例に係る半導体光検出素子の概略拡大図である。
【図９】本実施形態の変形例に係る半導体光検出素子の概略拡大図である。
【図１０】本実施形態の変形例に係る半導体光検出素子の概略拡大図である。
【図１１】本実施形態の変形例に係る光検出装置の回路図である。
【図１２】本実施形態の変形例に係る光検出装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００３１】
まず、図１を参照して、本実施形態に係る光検出装置の全体の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る光検出装置を示す概略斜視図である。
【００３２】
光検出装置１は、図１に示されるように、半導体光検出素子１０、搭載基板２０、及びガラス基板３０を備えている。搭載基板２０は、半導体光検出素子１０に対向配置されている。ガラス基板３０は、半導体光検出素子１０に対向配置されている。半導体光検出素子１０は、搭載基板２０とガラス基板３０との間に配置されている。半導体光検出素子１０、搭載基板２０、及びガラス基板３０の各主面と平行な面がＸＹ軸平面であり、各主面に直交する方向がＺ軸方向である。
【００３３】
半導体光検出素子１０は、平面視で矩形形状を呈している半導体基板５０を有している。半導体基板５０は、Ｓｉからなる、Ｎ型の半導体基板である。半導体基板５０は、互いに対向する主面１Ｎａと主面１Ｎｂとを含む。
【００３４】
ガラス基板３０は、互いに対向する主面３０ａと主面３０ｂとを含む。ガラス基板３０は、平面視で矩形形状を呈している。主面３０ｂは、半導体基板５０の主面１Ｎａと対向している。主面３０ａ及び主面３０ｂは、平坦である。ガラス基板３０と半導体光検出素子１０とは、光学接着剤ＯＡにより光学的に接続されている。ガラス基板３０は、半導体光検出素子１０上に直接形成されていてもよい。
【００３５】
図示を省略するが、ガラス基板３０の主面３０ａには、光学接着剤によりシンチレータが光学的に接続される場合がある。シンチレータからのシンチレーション光は、ガラス基板３０を通り、半導体光検出素子１０に入射する。
【００３６】
搭載基板２０は、互いに対向する主面２０ａと主面２０ｂとを有している。搭載基板２０は、平面視で矩形形状を呈している。主面２０ａは、半導体基板５０の主面１Ｎｂと対向している。搭載基板２０は、主面２０ａ側に配置されている複数の電極を含んでいる。
【００３７】
半導体基板５０の側面１Ｎｃとガラス基板３０の側面３０ｃと搭載基板２０の側面２０ｃは、面一とされている。すなわち、平面視で、半導体基板５０の外縁と、ガラス基板３０の外縁と、搭載基板２０の外縁とは、一致している。半導体基板５０の外縁と、ガラス基板３０の外縁と、搭載基板２０の外縁とは、一致していなくてもよい。たとえば、平面視で、搭載基板２０の面積が半導体基板５０及びガラス基板３０の各面積よりも大きくてもよい。この場合、搭載基板２０の側面２０ｃは、半導体基板５０の側面１Ｎｃ及びガラス基板３０の側面３０ｃよりもＸＹ軸平面方向の外側に位置する。
【００３８】
次に、図２を参照して、本実施形態に係る半導体光検出素子１０の構成について説明する。図２は、光検出装置１における半導体光検出素子１０を半導体基板５０の主面１Ｎａ上に直交する方向（以下、Ｚ軸方向という）から見た状態を示している。
【００３９】
図２に示されているように、半導体光検出素子１０は、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤと、対応するアバランシェフォトダイオードＡＰＤに電気的に接続されている複数の貫通電極ＴＥと、対応するアバランシェフォトダイオードＡＰＤに貫通電極ＴＥを電気的に接続する配線Ｆと、を備えている。配線Ｆは、主面１Ｎａ上に、絶縁層Ｌ１を介して形成されている。
【００４０】
各アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、１つの受光領域Ｓを有している。本実施形態では、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤの受光領域Ｓが、半導体光検出素子１０における１つの画素Ｕを構成している。このため、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤの受光領域Ｓは、貫通電極ＴＥと一対一の関係で電気的に接続されている。すなわち、アバランシェフォトダイオードＡＰＤ毎に、貫通電極ＴＥが配置されている。本実施形態では、受光領域Ｓは、Ｚ軸方向から見て正方形形状を呈している。受光面積を確保する観点から、受光領域Ｓは、Ｘ軸方向を長手方向とする矩形形状又は楕円形状であってもよい。
【００４１】
半導体基板５０は、主面１Ｎａ上に、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤがＹ軸方向に配列されているアバランシェフォトダイオード領域αと、複数の貫通電極ＴＥが二次元配列されている貫通電極領域βと、を有する。アバランシェフォトダイオード領域αと貫通電極領域βとは、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸方向と直交するＸ軸方向に並んでいる。
【００４２】
貫通電極領域βは、Ｘ軸方向で離間した第一領域β１及び第二領域β２を含んでいる。アバランシェフォトダイオード領域αは、第一領域β１及び第二領域β２の間に位置している。すなわち、Ｘ軸方向において、貫通電極領域βの第一領域β１、アバランシェフォトダイオード領域α、貫通電極領域βの第二領域β２の順で並んでいる。アバランシェフォトダイオード領域α、第一領域β１、及び第二領域β２は、いずれもＹ軸方向を長手方向とする矩形形状である。第一領域β１及び第二領域β２には、アバランシェフォトダイオードＡＰＤは配置されていない。
【００４３】
半導体基板５０は、貫通電極領域βに、Ｚ軸方向に主面１Ｎａ側から主面１Ｎｂ側まで貫通する複数の貫通孔ＴＨを有している。貫通電極ＴＥは、各貫通孔ＴＨに配置されている。ＸＹ軸平面における貫通孔ＴＨの開口は、Ｚ軸方向から見て円形形状である。貫通孔ＴＨは、ＸＹ軸平面と平行な断面も円形形状となるように構成されている。本実施形態において、主面１Ｎａにおける貫通孔ＴＨの開口の直径Ｄは、３０μｍである。貫通孔ＴＨの開口の形状は、円形形状でなく、多角形形状であってもよい。
【００４４】
本実施形態では、複数の貫通電極ＴＥ（貫通孔ＴＨの開口の中心）は、貫通電極領域βの第一領域β１及び第二領域β２の各々において、Ｚ軸方向から見て行列状に配列されている。貫通電極ＴＥの間のピッチＷＥは、行方向及び列方向の各方向において１００μｍである。行方向がＹ軸方向であり、列方向がＸ軸方向である。
【００４５】
第一領域β１における複数の貫通電極ＴＥ（貫通孔ＴＨ）が配列されている列と第二領域β２における複数の貫通電極ＴＥ（貫通孔ＴＨ）が配列されている列とは、同一直線上に位置する。すなわち、第二領域β２における複数の貫通電極ＴＥ（貫通孔ＴＨ）は、第一領域β１における複数の貫通電極ＴＥ（貫通孔ＴＨ）が形成する列の延長上に位置する。
【００４６】
複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤのピッチＷＡは、貫通孔ＴＨの開口の直径Ｄよりも小さい。貫通孔ＴＨの開口の形状が多角形形状である場合、ピッチＷＡは、当該多角形形状の内周の直径よりも小さい。本実施形態では、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、アバランシェフォトダイオード領域αにおいて、Ｚ軸方向から見てＹ軸方向に１２．５μｍのピッチで１列に配列（一次元配列）されている。
【００４７】
複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤのうちＹ軸方向において互いに異なる位置に配置されているアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、それぞれ、複数の貫通電極ＴＥのうち異なる貫通電極ＴＥと電気的に接続されている。換言すれば、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤの各々は、Ｙ軸方向におけるアバランシェフォトダイオードＡＰＤの位置に応じて、互いに異なる貫通電極ＴＥと電気的に接続されている。
【００４８】
複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｙ軸方向で交互に並ぶ、アバランシェフォトダイオード群Ａ１とアバランシェフォトダイオード群Ａ２とに分けられる。第一及び第二領域β１，β２において同一直線上に配列されている複数の貫通電極ＴＥは、互いに隣り合うアバランシェフォトダイオード群Ａ１，Ａ２に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤとそれぞれ電気的に接続されている。
【００４９】
アバランシェフォトダイオード群Ａ１に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｙ軸方向においてアバランシェフォトダイオード領域αの一端側に近いアバランシェフォトダイオードＡＰＤほど、第一領域β１において列方向に（対応する列に）配列されている複数の貫通電極ＴＥのうち、アバランシェフォトダイオード領域αから遠い貫通電極ＴＥと電気的に接続されている。
【００５０】
このアバランシェフォトダイオード群Ａ１と隣り合うアバランシェフォトダイオード群Ａ２に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｙ軸方向において上記一端側に近いアバランシェフォトダイオードＡＰＤほど、第二領域β２において列方向に（対応する列に）配列された複数の貫通電極ＴＥのうち、アバランシェフォトダイオード領域αに近い貫通電極ＴＥと電気的に接続されている。
【００５１】
次に、図３を参照して、本実施形態に係る半導体光検出素子１０の構成について更に詳細に説明する。図３は、光検出装置１の断面構成を示している。
【００５２】
図３に示されているように、半導体光検出素子１０は、絶縁層Ｌ２及び絶縁層Ｌ３を備えている。絶縁層Ｌ２は、貫通孔ＴＨの内周面上に形成されている。貫通電極ＴＥは、絶縁層Ｌ２を介して、貫通孔ＴＨ内に配置される。絶縁層Ｌ３は、貫通電極ＴＥで形成された空間に設けられている。すなわち、貫通孔ＴＨの内部は、貫通孔ＴＨの外周から中心にかけて、絶縁層Ｌ２、貫通電極ＴＥ、絶縁層Ｌ３の順で構成されている。なお、図３においては、ガラス基板３０は、光学接着剤ＯＡを介さずに半導体光検出素子１０上に直接形成されている。
【００５３】
複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤの各々は、Ｐ型の第一半導体領域ＰＡと、Ｎ型の第二半導体領域ＮＡと、Ｐ型の第三半導体領域ＰＢと、を有する。第一半導体領域ＰＡは、半導体基板５０の主面１Ｎａ側に位置している。第二半導体領域ＮＡは、半導体基板５０の主面１Ｎｂ側に位置している。第三半導体領域ＰＢは、第一半導体領域ＰＡ内に形成されており、第一半導体領域ＰＡよりも不純物濃度が高い。第三半導体領域ＰＢは、受光領域Ｓである。複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤの各々は、主面１Ｎａ側から主面１Ｎｂ側にかけて、第三半導体領域ＰＢであるＰ＋層、第一半導体領域ＰＡであるＰ層、第二半導体領域ＮＡであるＮ＋層の順で構成されている。
【００５４】
貫通孔ＴＨの縁は、主面１Ｎａ側から主面１Ｎｂ側にかけて、Ｎ型の第四半導体領域ＮＢと第二半導体領域ＮＡとによって成形されている。第四半導体領域ＮＢと第三半導体領域ＰＢとは、離間している。第四半導体領域ＮＢは、第一半導体領域ＰＡと絶縁層Ｌ２の間に位置しており、第一半導体領域ＰＡと絶縁層Ｌ２は離間している。すなわち、半導体基板５０は、第四半導体領域ＮＢ及び第二半導体領域ＮＡによって、第一半導体領域ＰＡと第二半導体領域ＮＡとの間に形成されるＰＮ接合が貫通孔ＴＨに露出しないように覆われている。
【００５５】
複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤの各々は、主面１Ｎａ側に、受光領域Ｓの輪郭に沿って設けられている電極Ｅ１と、を有している。電極Ｅ１は、受光領域Ｓの外周に沿った形状を呈している。すなわち、本実施形態では、電極Ｅ１は、矩形の環形状を呈している。電極Ｅ１は、Ｘ軸方向に延在している接続部Ｃを有している。接続部Ｃは、受光領域Ｓと電気的に接続されている。電極Ｅ１は、配線Ｆに接続されており、受光領域Ｓと配線Ｆとを電気的に接続している。電極Ｅ１は、主面１Ｎａ上に絶縁層Ｌ１を介して配置されており、接続部Ｃ以外の部分で半導体基板５０に接していない。
【００５６】
半導体光検出素子１０は、更に、主面１Ｎａ側に位置する電極パッド１２と、主面１Ｎｂ側に位置する電極Ｅ２と、を備えている。電極パッド１２及び電極Ｅ２は、各貫通電極ＴＥに設けられている。電極パッド１２は、配線Ｆに接続されており、配線Ｆと貫通電極ＴＥとを電気的に接続している。電極Ｅ２は、主面１Ｎｂ上に、絶縁層Ｌ４を介して形成されている。電極Ｅ２は、一端が貫通電極ＴＥに接続され、他端がバンプ電極ＢＥに接続されている。電極Ｅ２は、バンプ電極ＢＥに接続される部分を除き、絶縁層Ｌ５によって覆われている。
【００５７】
電極Ｅ１，Ｅ２、配線Ｆ、電極パッド１２、及び貫通電極ＴＥは、アルミニウムなどの金属からなる。半導体基板がＳｉからなる場合には、電極材料としては、アルミニウムの他に、Ｃｕなどもよく用いられる。プロセス設計にも因るが、電極Ｅ１，Ｅ２、配線Ｆ、電極パッド１２、及び貫通電極ＴＥは一体に形成することができる。電極Ｅ１，Ｅ２、配線Ｆ、電極パッド１２、及び貫通電極ＴＥの形成方法としては、スパッタ法を用いることができる。
【００５８】
Ｓｉを用いた場合におけるＰ型不純物としてはＢなどの３族元素が用いられ、Ｎ型不純物としては、Ｐ又はＡｓなどの５族元素が用いられる。半導体の導体型であるＮ型とＰ型は、互いに置換して素子を構成しても、当該素子を機能させることができる。これらの不純物の添加法としては、拡散法やイオン注入法を用いることができる。
【００５９】
絶縁層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５の材料としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、又は樹脂絶縁膜を用いることができる。絶縁層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５の形成方法としては、熱酸化法、スパッタ法、ＣＶＤ法、又は樹脂コート法等を用いることができる。
【００６０】
アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、配線Ｆによって電極Ｅ１と電極パッド１２とが電気的に接続されていることによって、貫通電極ＴＥと電気的に接続されている。搭載基板２０は、バンプ電極ＢＥによって貫通電極ＴＥと電気的に接続されている。このため、受光領域Ｓから出力された信号は、電極Ｅ１と配線Ｆと電極パッド１２とを介して貫通電極ＴＥへ導かれる。貫通電極ＴＥに導かれた信号は、電極Ｅ２及びバンプ電極ＢＥを介して搭載基板２０に導かれる。
【００６１】
バンプ電極ＢＥは、不図示のＵＢＭ（Under  Bump  Metal）を介して、電極Ｅ２に形成される。ＵＢＭは、バンプ電極ＢＥと電気的及び物理的に接続が優れた材料からなる。ＵＢＭの形成方法は、無電解めっき法を用いることができる。バンプ電極ＢＥの形成方法は、ハンダボールを搭載する手法又は印刷法を用いることができる。バンプ電極ＢＥは、たとえば、はんだからなる。
【００６２】
次に、図４を参照して、本実施形態に係る搭載基板の構成について詳細に説明する。図４は、搭載基板の概略平面図である。
【００６３】
搭載基板２０は、図４に示されるように、複数の電極Ｅ３と複数のクエンチング抵抗２１と複数の信号処理部ＳＰとを有している。搭載基板２０は、ＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）を構成している。なお、クエンチング抵抗２１は、搭載基板２０ではなく、半導体光検出素子１０に配置されていてもよい。この場合、クエンチング抵抗２１の一端が受光領域Ｓに電気的に接続され、他端が貫通電極ＴＥに電気的に接続される。
【００６４】
電極Ｅ３は、主面２０ａ側に配置され、バンプ電極ＢＥに電気的に接続されている。電極Ｅ３も、電極Ｅ１，Ｅ２と同じくアルミニウムなどの金属からなる。電極材料としては、アルミニウムの他に、Ｃｕなどもよく用いられる。
【００６５】
クエンチング抵抗２１は、主面２０ａ側に配置され、パッシブクエンチング回路を構成している。クエンチング抵抗２１は、その一端が電極Ｅ３に電気的に接続されている。すなわち、複数のクエンチング抵抗２１の各々が、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの各々に対して電気的に直列に接続されている。複数のクエンチング抵抗２１は、その他端がコモン電極ＣＥ（グランド）に接続されている。すなわち、コモン電極ＣＥには、複数のクエンチング抵抗２１が並列に接続されている。
【００６６】
信号処理部ＳＰは、主面２０ａ側に配置されている。信号処理部ＳＰは、その入力端が電極Ｅ３に電気的に接続され、その出力端が信号線ＴＬに接続されている。各信号処理部ＳＰには、電極Ｅ１、貫通電極ＴＥ、バンプ電極ＢＥ及び電極Ｅ３を介して、対応するアバランシェフォトダイオードＡＰＤ（半導体光検出素子１０）からの出力信号が入力される。各信号処理部ＳＰは、対応するアバランシェフォトダイオードＡＰＤからの出力信号を処理する。各信号処理部ＳＰは、図５に示されているインバータ２２を含んでいる。
【００６７】
インバータ２２は、その電源端子２２ａが電圧源に接続され、その入力端子がバンプ電極ＢＥに電気的に接続されている。すなわち、各インバータ２２は、クエンチング抵抗２１に対して並列に、かつ、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに対して直列に接続されている。
【００６８】
次に、図５を参照して、本実施形態に係る光検出装置の動作について説明する。図５は、光検出装置の回路構成の概略を示している。
【００６９】
半導体光検出素子１０では、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤがガイガーモードで動作する。ガイガーモードでは、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのブレークダウン電圧よりも大きな逆方向電圧（逆バイアス電圧）がアバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノード／カソード間に印加される。本実施形態では、アノードは第一半導体領域ＰＡであり、カソードは第二半導体領域ＮＡである。第二半導体領域ＮＡは、裏面に形成された電極（図示省略）に電気的に接続され、第一半導体領域ＰＡは、第三半導体領域ＰＢを介して、電極Ｅ１に接続されている。第一半導体領域ＰＡにはマイナスの電位が印加され、第二半導体領域ＮＡにはプラスの電位が印加される。これらの電位の極性は相対的なものである。
【００７０】
アバランシェフォトダイオードＡＰＤに光（フォトン）が入射すると、半導体基板内部で光電変換が行われて光電子が発生する。第一半導体領域ＰＡのＰＮ接合界面の近傍領域において、アバランシェ増倍が行われ、増幅された電子群は、電極Ｅ１、電極パッド１２、貫通電極ＴＥ、バンプ電極ＢＥを介して、搭載基板２０に向けて流れる。すなわち、半導体光検出素子１０のいずれかの画素Ｕ（受光領域Ｓ）に光（フォトン）が入射すると、発生した光電子が増倍され、倍増された光電子による信号がバンプ電極ＢＥから取り出されて、対応するインバータ２２に入力される。インバータ２２は、入力された信号を、出力端子からデジタルパルス信号として出力する。
【００７１】
各アバランシェフォトダイオードＡＰＤにおいて、半導体の導体型であるＮ型とＰ型とを互いに置換して素子が構成された場合は、図１１に示されているような回路構成を用いてもよい。この場合、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの極性が貫通電極ＴＥに対して反転する。クエンチング抵抗２１は、その一端が電極Ｅ３を介して貫通電極ＴＥ（バンプ電極ＢＥ）に電気的に接続され、その他端が電圧源に接続される。信号処理部ＳＰにおけるインバータ２２は、その電源端子２２ａが電圧源に接続され、その入力端子がバンプ電極ＢＥに電気的に接続されている。インバータ２２は、入力端子に入力された信号に応じて、出力端子からデジタルパルス信号を出力する。
【００７２】
以上説明したように、光検出装置１では、半導体基板５０は、主面１Ｎａに直交する方向から見て、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤがＹ軸方向に配列されているアバランシェフォトダイオード領域αと、複数の貫通電極ＴＥが二次元配列されている貫通電極領域βとを有する。アバランシェフォトダイオード領域αと貫通電極領域βとは、Ｘ軸方向に並んでいる。このため、光検出精度が確保されていると共に、光検出の分解能が向上されている。
【００７３】
貫通電極領域βとアバランシェフォトダイオード領域αとが、別に設けられているので、たとえば、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの配置などの制約を受けることなく、貫通電極ＴＥを形成する領域が設定される。このため、画素Ｕ間のピッチが小さい場合でも、貫通電極ＴＥを形成するスペースが十分に確保される。したがって、光検出装置１では、貫通電極ＴＥの形成おける微細化の要求が緩和されており、貫通電極ＴＥにおいて接続不良及び絶縁不良が発生する可能性が低い。
【００７４】
複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤのうちＹ軸方向において互いに異なる位置に配置されているアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、それぞれ、複数の貫通電極ＴＥのうち異なる貫通電極ＴＥと電気的に接続されている。すなわち、Ｙ軸方向に並ぶアバランシェフォトダイオードＡＰＤ毎に貫通電極ＴＥを設けることで、画素Ｕが構成されている。このため、Ｙ軸方向におけるアバランシェフォトダイオードＡＰＤのピッチＷＡを狭めることで、第一方向における光検出の分解能が向上されている。
【００７５】
複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｙ軸方向において１列に配列されている。このため、Ｙ軸方向と直交する方向に、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤが配置されていないため、背景光の受光が抑制されている。したがって、背景光の受光に起因するダークカウントレートが低減されているため、光検出精度の確保が容易である。
【００７６】
アバランシェフォトダイオードＡＰＤのピッチＷＡは、主面１Ｎａにおける貫通孔ＴＨの開口の直径Ｄよりも小さい。このため、光検出の分解能が向上されている。
【００７７】
アバランシェフォトダイオード領域αは、第一領域β１と第二領域β２との間に位置している。このため、貫通電極ＴＥが配列される貫通電極領域βの面積が確保されており、貫通電極ＴＥとアバランシェフォトダイオードＡＰＤとを接続する配線Ｆの密度が縮小されている。したがって、画素Ｕ間のピッチが狭くとも、配線Ｆ間で生じる寄生容量の発生等が抑制されている。よって、光検出精度が確保されていると共に、光検出の分解能が向上されている。
【００７８】
複数の貫通電極ＴＥは、第一領域β１及び第二領域β２の各々において、主面１Ｎａに直交する方向から見て、行列状に配列されている。第一領域β１に含まれている複数の貫通電極ＴＥが配列されている列と、第二領域β２に含まれている複数の貫通電極ＴＥが配列されている列とは、同一直線上に位置している。すなわち、貫通電極ＴＥは、一定のピッチで配列されており、第一領域β１と第二領域β２とで列にズレがない。このため、貫通電極ＴＥが配置される貫通孔ＴＨの形成が、容易である。
【００７９】
第一及び第二領域β１，β２において同一直線上に配列されている複数の貫通電極ＴＥは、互いに隣り合うアバランシェフォトダイオード群Ａ１，Ａ２に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤとそれぞれ電気的に接続されている。アバランシェフォトダイオード群Ａ１に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードは、Ｙ軸方向においてアバランシェフォトダイオード領域αの一端側に近いアバランシェフォトダイオードＡＰＤほど、第一領域β１において列方向に（対応する列に）配列されている複数の貫通電極ＴＥのうち、アバランシェフォトダイオード領域αから遠い貫通電極ＴＥと電気的に接続されている。このアバランシェフォトダイオード群Ａ１と隣り合うアバランシェフォトダイオード群Ａ２に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｙ軸方向において上記一端側に近いアバランシェフォトダイオードＡＰＤほど、第二領域β２において列方向に（対応する列に）配列されている複数の貫通電極のうち、アバランシェフォトダイオード領域αに近い貫通電極ＴＥと電気的に接続されている。
【００８０】
この場合、Ｙ軸方向において隣り合うアバランシェフォトダイオードＡＰＤ間において、アバランシェフォトダイオードＡＰＤと貫通電極ＴＥとの配線長の差が比較的小さい。このため、一端側から順にアバランシェフォトダイオードＡＰＤからの信号を読み込んだ場合に、隣り合うアバランシェフォトダイオードＡＰＤ間の配線長差による信号出力の時間ズレが少ない。したがって、Ｙ軸方向で順にアバランシェフォトダイオードＡＰＤからの信号を読み込んだ場合に、光検出装置１の後段において信号の処理が容易である。
【００８１】
搭載基板２０は、複数の貫通電極ＴＥの各々と、複数のバンプ電極ＢＥによって電気的に接続されている。このため、ワイヤボンディング等の手法を用いた場合よりも、時間応答性が向上していると共にノイズが低減されている。したがって、光検出精度の確保が容易である。
【００８２】
クエンチング抵抗２１は、搭載基板２０に搭載されている。このため、配線Ｆを配置するスペースが広がっており、配線Ｆの密度が縮小されている。したがって、画素Ｕ間のピッチが狭くとも、配線Ｆ間で生じる寄生容量の発生等が抑制されている。
【００８３】
次に、図６から図１０を参照して、本実施形態の変形例に係る光検出装置の構成を説明する。図６から図１０は、変形例に係る光検出装置における半導体光検出素子をＺ軸方向から見た状態を示している。
【００８４】
図６に示されている半導体光検出素子１０では、複数の貫通電極ＴＥと複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤとを接続する複数の配線Ｆの配線長が、いずれも０．４２ｍｍとなっている。すなわち、複数の配線Ｆの配線長は、いずれも、同等となっている。なお、ここでいう同等とは、製造誤差の範囲を考慮して同等の範囲であることを意味する。
【００８５】
このため、図６に示されている半導体光検出素子１０では、アバランシェフォトダイオードＡＰＤからの信号読み込みにおいて、信号出力の時間ズレが低減されている。したがって、光検出装置１の後段において信号の処理が容易である。
【００８６】
図７に示されている半導体光検出素子１０では、アバランシェフォトダイオード領域αにおいて、第一領域β１に位置する貫通電極ＴＥと電気的に接続されているアバランシェフォトダイオードＡＰＤと、第二領域β２に位置する貫通電極ＴＥと電気的に接続されているアバランシェフォトダイオードＡＰＤとが、Ｙ軸方向において交互に配列されている。
【００８７】
このため、図７に示されている半導体光検出素子１０では、アバランシェフォトダイオードＡＰＤと貫通電極ＴＥとを接続する配線Ｆを配置するスペースが広がっているので、配線Ｆの密度が縮小されている。したがって、画素Ｕ間のピッチが狭くとも、配線Ｆ間で生じる寄生容量の発生等が抑制されている。
【００８８】
図８に示されている半導体光検出素子１０では、図２で示されている半導体光検出素子１０と同様に、複数の貫通電極ＴＥが、貫通電極領域βの第一領域β１及び第二領域β２の各々において、Ｚ軸方向から見て行列状に配列されている。貫通電極ＴＥの間のピッチＷＥは、行方向及び列方向の各方向において１００μｍである。しかし、図８に示されている半導体光検出素子１０では、第一領域β１における貫通電極ＴＥが配列されている列と第二領域β２における貫通電極ＴＥが配列されている列とが、Ｙ軸方向においてズレている。第一領域β１における貫通電極ＴＥが配列されている列と第二領域β２における貫通電極ＴＥが配列されている列とのズレＷＨは、ピッチＷＡの１/２（本実施形態では、５０μｍ）である。
【００８９】
図８に示されている半導体光検出素子１０では、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｙ軸方向で交互に並ぶアバランシェフォトダイオード群Ａ３とアバランシェフォトダイオード群Ａ４とに分けられる。各アバランシェフォトダイオード群Ａ３に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、第一領域β１に位置する貫通電極ＴＥと電気的に接続されている。各アバランシェフォトダイオード群Ａ４に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、第二領域β２に位置する貫通電極ＴＥと電気的に接続されている。
【００９０】
アバランシェフォトダイオード群Ａ３，Ａ４の各々に含まれている複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｙ軸方向においてアバランシェフォトダイオード領域αの一端側に近いアバランシェフォトダイオードＡＰＤほど、該アバランシェフォトダイオードＡＰＤから遠い貫通電極ＴＥと電気的に接続されている。
【００９１】
図８に示されている半導体光検出素子１０では、アバランシェフォトダイオード群Ａ３とアバランシェフォトダイオード群Ａ４とで、アバランシェフォトダイオード群Ａ３，Ａ４の各群におけるアバランシェフォトダイオードＡＰＤ及び貫通電極ＴＥ間の配線長は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのＹ軸方向での位置に応じて同様に変化する。したがって、Ｙ軸方向で順にアバランシェフォトダイオードＡＰＤからの信号を読み込んだ場合に、光検出装置１の後段において信号の処理が容易である。
【００９２】
図９に示されている半導体光検出素子１０では、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤと複数の貫通電極とを電気的に接続する配線Ｆが、直線形状となっている。このため、複数の貫通電極ＴＥは、Ｙ軸方向においては１００μｍのピッチで配列されているが、行列状とはなっていない。
【００９３】
図９に示されている半導体光検出素子１０では、第一領域β１に位置する貫通電極ＴＥに配線Ｆによって電気的に接続されたアバランシェフォトダイオードＡＰＤと、第二領域β２に位置する貫通電極ＴＥに配線Ｆによって電気的に接続されたアバランシェフォトダイオードＡＰＤとが、交互に配列されている。更に、アバランシェフォトダイオード領域αにおける複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｙ軸方向において上記ピッチの１／２以下のピッチ（本実施形態では、５０μｍ）で配列されている。これらの構成により、貫通電極ＴＥを配置するためのスペースが確保されている。
【００９４】
このため、配線Ｆを配置するスペースが広がっており、配線Ｆの密度が縮小されている。したがって、画素Ｕ間のピッチが狭くとも、配線Ｆ間で生じる寄生容量の発生等が抑制されている。
【００９５】
図１０に示されている半導体光検出素子１０では、アバランシェフォトダイオード領域αはＹ軸方向を長手方向とする矩形形状であり、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤはアバランシェフォトダイオード領域αに二次元配列されている。具体的には、図２に示されている半導体光検出素子１０のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｙ軸方向に１列で配列されているのに対して、図１０に示されている半導体光検出素子１０のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｙ軸方向に５列で配列されている。
【００９６】
図１０に示されている半導体光検出素子１０においても、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤのうちＹ軸方向において互いに異なる位置に配置されているアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、それぞれ、複数の貫通電極ＴＥのうち異なる貫通電極ＴＥと電気的に接続されている。すなわち、図１０に示されている半導体光検出素子１０では、Ｘ軸方向に１列に並ぶ５つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤによって、１つの画素Ｕが構成されている。光検出装置１の回路は、図１２で示されているように構成されてもよい。
【００９７】
図１２に示されている回路構成では、クエンチング抵抗２１は、半導体光検出素子１０に配置されている。これらのクエンチング抵抗２１は、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤの各々に電気的に直列に接続されている。１つの画素Ｕを構成する複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤに接続された複数のクエンチング抵抗２１は、配線Ｆによって１つの貫通電極ＴＥ（バンプ電極ＢＥ）に対して電気的に並列に接続されている。
【００９８】
バンプ電極ＢＥは、信号処理部ＳＰに電気的に接続されている。信号処理部ＳＰは、ゲート接地回路３１と、カレントミラー回路３４と、コンパレータ３５とを含む。バンプ電極ＢＥは、ゲート接地回路３１を構成するＦＥＴ（Field  Effect  Transistor）のドレインに電気的に直列に接続されている。このドレインには、貫通電極ＴＥと電気的に並列に定電流源３２が接続されている。ＦＥＴのゲートには、電圧源３３が接続されている。ＦＥＴのソースには、カレントミラー回路３４の入力端子が接続されている。
【００９９】
カレントミラー回路３４の出力端子には、コンパレータ３５の一方の入力端子が接続されている。コンパレータ３５の他方の入力端子には、可変電圧源３６が接続されている。コンパレータ３５の電源端子３５ａには、電圧源が接続されている。この構成により、１つの画素Ｕを構成するアバランシェフォトダイオードＡＰＤの出力信号に対応したデジタル信号が、コンパレータ３５の出力端子から出力される。
【０１００】
図１０に示されている半導体光検出素子１０であっても、光検出装置１の回路は、貫通電極ＴＥに対して抵抗とインバータ２２とが並列に接続されるように構成されてもよい。
【０１０１】
以上のように、本変形例においては、Ｘ軸方向に１列に並ぶ５つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤによって、１つの画素Ｕが構成されている。この場合、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤによって形成される１つの画素Ｕが、Ｘ軸方向に広がっているため、１つの画素における光感度が向上する。したがって、Ｙ軸向における光検出の分解能が更に向上されている。
【０１０２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【０１０３】
たとえば、本実施形態では、光検出装置１は、半導体光検出素子１０と搭載基板２０とガラス基板３０とを備えるが、本願発明は、搭載基板２０とガラス基板３０とを備えない光検出装置も含む。
【０１０４】
本実施形態では、貫通電極ＴＥ（貫通孔ＴＨ）は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各方向において１００μｍのピッチで配列されることとしたが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において異なるピッチで配置されていてもよい。
【０１０５】
半導体光検出素子１０は、アバランシェフォトダイオード領域αを挟む第一領域β１と第二領域β２との両方に配列されることしたが、第一領域β１と第二領域β２の一方にのみ設けられる構成であってもよい。
【０１０６】
本実施形態では、Ｙ軸方向に並ぶアバランシェフォトダイオードＡＰＤ毎に１つの画素Ｕが構成されている。各画素ＵがＹ軸方向に一列に配列されていれば、Ｙ軸方向において隣接する複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤで１つの画素Ｕが構成されてもよい。たとえば、図１０に示されている半導体光検出素子１０のように、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤがＹ軸方向に５列で配列されている場合に、Ｙ軸方向において隣接する２列のアバランシェフォトダイオードＡＰＤで、１つの画素Ｕが構成されてもよい。この場合、２×５のアバランシェフォトダイオードＡＰＤが、１つの画素Ｕを構成する。この場合も、同一画素Ｕに含まれている複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、同一の貫通電極ＴＥと電気的に接続される。
【０１０７】
搭載基板２０の回路構成は、図５，図１１，図１２に示したものに限定されない。図５及び図１１で示されている回路構成において、インバータ２２の代わりにコンパレータ等が用いられてもよい。図１０に示されている半導体光検出素子１０において、貫通電極ＴＥに対して、インバータ２２等が電気的に直列に接続されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、微弱光を検出する光検出装置に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０９】
１…光検出装置、１０…半導体光検出素子、２０…搭載基板、２１…クエンチング抵抗、５０…半導体基板、１Ｎａ，１Ｎｂ…主面、α…アバランシェフォトダイオード領域、β…貫通電極領域、β１…第一領域、β２…第二領域、ＡＰＤ…アバランシェフォトダイオード、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４…アバランシェフォトダイオード群、ＢＥ…バンプ電極、Ｄ…直径、Ｆ…配線、ＷＥ…ピッチ、ＴＥ…貫通電極、ＴＨ…貫通孔。
【図１】
2018078246.tif 000003
【図２】
2018078246.tif 000004
【図３】
2018078246.tif 000005
【図４】
2018078246.tif 000006
【図５】
2018078246.tif 000007
【図６】
2018078246.tif 000008
【図７】
2018078246.tif 000009
【図８】
2018078246.tif 000010
【図９】
2018078246.tif 000011
【図１０】
2018078246.tif 000012
【図１１】
2018078246.tif 000013
【図１２】
2018078246.tif 000014