(57)【要約】【課題】シリコン基板が用いられていると共に近赤外の波長帯域に十分な感度特性を有している光検出器を備えたＯＣＴ装置を提供すること。【解決手段】ＯＣＴ装置の光検出器ＰＳは、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面１ａ及び第２主面１ｂを有すると共に第１主面１ａ側に第２導電型の半導体層３が形成されたシリコン基板１と、第１主面１ａ上に設けられ、発生した電荷を転送する電荷転送電極５と、を備えている。シリコン基板１には、第２主面１ｂ側にシリコン基板１よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層１１が形成されていると共に、第２主面１ｂにおける少なくとも半導体領域３に対向する領域に不規則な凹凸１０が形成されている。シリコン基板１の第２主面１ｂにおける不規則な凹凸１０が形成された領域は、光学的に露出している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出力する光源と、
前記光源から出力される光を分岐して第１分岐光及び第２分岐光を出力する分岐部と、
前記分岐部から出力された第１分岐光を被測定対象物に照射すると共に、被測定対象物からの光を入力して導くプローブ部と、
前記プローブ部により導かれて到達した光をサンプル光として入力すると共に、前記分岐部から出力されて到達した第２分岐光を参照光として入力して、これら入力した参照光とサンプル光とを合波して、この合波による干渉光を出力する合波部と、
前記合波部から出力された干渉光の強度を検出する光検出器と、を備えており、
前記光検出器は、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に前記第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板と、前記シリコン基板の前記第１主面上に設けられると共に発生した電荷を転送する転送電極部と、を有し、
前記シリコン基板には、前記第２主面側に前記シリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、前記第２主面における少なくとも第２導電型の前記半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、
前記シリコン基板の前記第２主面における不規則な前記凹凸が形成された領域は、光学的に露出していることを特徴とするＯＣＴ装置。
【請求項２】
前記シリコン基板は、第２導電型の前記半導体領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して前記第２主面側より薄化されていることを特徴とする請求項１に記載のＯＣＴ装置。
【請求項３】
第１導電型の前記アキュムレーション層の厚みが、不規則な前記凹凸の高低差よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のＯＣＴ装置。
【請求項４】
前記シリコン基板は、その厚みが画素ピッチ以下に設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のＯＣＴ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＯＣＴ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）装置は、低コヒーレンス光を用いた干渉計であり、光の進行方向についてコヒーレンス長程度の位置分解能で特定される位置で反射または散乱された光の強度分布を断層画像として検出することができ、例えば眼球や歯などの診断に用いられる。特許文献１には、眼科診断にＯＣＴ装置を用いた技術が記載されている。特許文献１に記載されたＯＣＴ装置では、近赤外領域の波長の光を出力する光源が用いられると共に、近赤外領域の波長の光を検出する光検出器としてＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）撮像素子が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９-０３４４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＣＣＤ撮像素子では、一般に、安価で且つ製造が容易なシリコン基板が用いられる。しかしながら、シリコン基板が用いられたＣＣＤ撮像素子では、９００ｎｍ以上の波長帯域で感度が急激に劣化してしまう。シリコン基板を薄化することにより、１０００ｎｍ付近での感度を維持することは可能であるものの、エタロン現象が生じる懼れがある。エタロン現象は、入射した披検出光と、入射した被検出光が入射面に対向する面で反射した光との間で干渉する現象であり、近赤外の波長帯域での検出特性に影響を及ぼす。
【０００５】
本発明は、シリコン基板が用いられていると共に近赤外の波長帯域に十分な感度特性を有している光検出器を備えたＯＣＴ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】
【０００６】
本発明に係るＯＣＴ装置は、光を出力する光源と、光源から出力される光を分岐して第１分岐光及び第２分岐光を出力する分岐部と、分岐部から出力された第１分岐光を被測定対象物に照射すると共に、被測定対象物からの光を入力して導くプローブ部と、プローブ部により導かれて到達した光をサンプル光として入力すると共に、分岐部から出力されて到達した第２分岐光を参照光として入力して、これら入力した参照光とサンプル光とを合波して、この合波による干渉光を出力する合波部と、合波部から出力された干渉光の強度を検出する光検出器と、を備えており、光検出器は、第１導電型の半導体からなり、互いに対向する第１主面及び第２主面を有すると共に第１主面側に第２導電型の半導体領域が形成されたシリコン基板と、シリコン基板の第１主面上に設けられると共に発生した電荷を転送する転送電極部と、を有し、シリコン基板には、第２主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されていると共に、第２主面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されており、シリコン基板の第２主面における不規則な凹凸が形成された領域は、光学的に露出していることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るＯＣＴ装置では、光検出器が有するシリコン基板に、第２主面における少なくとも第２導電型の半導体領域に対向する領域に不規則な凹凸が形成されているために、光検出器に入射した干渉光は当該領域にて反射、散乱、又は拡散されて、シリコン基板内を長い距離進む。これにより、光検出器に入射した干渉光は、その大部分が光検出器（シリコン基板）を透過することなく、シリコン基板で吸収されることとなる。したがって、上記光検出器では、光検出器に入射した干渉光の走行距離が長くなり、干渉光が吸収される距離も長くなるため、近赤外の波長帯域での感度特性が向上する。
【０００８】
また、シリコン基板の第２主面側にシリコン基板よりも高い不純物濃度を有する第１導電型のアキュムレーション層が形成されているため、第２主面側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。また、第１導電型の上記アキュムレーション層は、シリコン基板の第２主面付近で干渉光により発生したキャリアが該第２主面でトラップされるのを抑制する。このため、干渉光により発生したキャリアは、第２導電型の半導体領域とシリコン基板とのｐｎ接合部へ効率的に移動し、光検出器の光検出感度を向上することができる。
【０００９】
本発明に係るＯＣＴ装置において、シリコン基板は、第２導電型の半導体領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して第２主面側より薄化されていてもよい。この場合、シリコン基板の第１主面及び第２主面側をそれぞれ光入射面とした半導体光検出素子を得ることができる。
【００１０】
本発明に係るＯＣＴ装置において、第１導電型のアキュムレーション層の厚みが、不規則な凹凸の高低差よりも大きいことが好ましい。この場合、上述したように、アキュムレーション層による作用効果を確保することができる。
【００１１】
本発明に係るＯＣＴ装置において、シリコン基板は、その厚みが画素ピッチ以下に設定されていることが好ましい。この場合、画素間でのクロストークの発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、シリコン基板が用いられていると共に近赤外の波長帯域に十分な感度特性を有している光検出器を備えたＯＣＴ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＯＣＴ装置を示す概略構成図である。
【図２】光検出器を示す斜視図である。
【図３】光検出器の断面構成を説明するための図である。
【図４】光検出器の変形例を示す斜視図である。
【図５】光検出器の製造方法を説明するための図である。
【図６】ｐ型半導体基板に形成された不規則な凹凸を観察したＳＥＭ画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、
説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重
複する説明は省略する。
【００１５】
まず、図１を参照して、ＯＣＴ装置１００の構成について説明する。図１は、ＯＣＴ装置を示す概略構成図である。ＯＣＴ装置１００は、例えば、被検眼Ｅの眼底の断層画像を形成するための構成を有している。
【００１６】
ＯＣＴ装置１００は、低コヒーレンス光を参照光と信号光に分割し、被検眼Ｅの眼底を経由した信号光と参照物体を経由した参照光とを重畳させて干渉光を生成してこれを検出する。検出結果（検出信号）は演算制御装置（不図示）に入力される。演算制御装置は、検出信号を解析して眼底（特に網膜）の断層画像を形成する。
【００１７】
低コヒーレンス光源１０２は、低コヒーレンス光Ｌ０を出力する広帯域光源により構成される。低コヒーレンス光源１０２としては、たとえば、スーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ：Super Luminescent Diode）や、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitted Diode）が用いられる。低コヒーレンス光Ｌ０は、近赤外領域の波長の光を含み、かつ、数十μｍ程度の時間的コヒーレンス長を有する。低コヒーレンス光Ｌ０は、眼底カメラユニット１０１の照明光（波長約４００ｎｍ〜８００ｎｍ）よりも長い波長、例えば約８００〜１１００ｎｍの範囲に含まれる波長を有する。
【００１８】
低コヒーレンス光源１０２から出力された低コヒーレンス光Ｌ０は、光ファイバ１０４を通じて光カプラ１０６（分岐部及び合波部）に導かれる。光ファイバ１０４は、たとえばシングルモードファイバないしはＰＭファイバ（Polarization Maintaining Fiber：偏波面保持ファイバ）等によって構成される。光カプラ１０６は、低コヒーレンス光Ｌ０を参照光ＬＲ（第２分岐光）と信号光ＬＳ（第１分岐光）とに分岐する。光カプラ１０６は、光を分割する手段（スプリッタ：Splitter）、及び、光を重畳する手段（カプラ：Coupler）の双方として作用するものであるが、ここでは慣用的に「光カプラ」と称する。
【００１９】
参照光ＬＲは、光ファイバ１０８により導光されてファイバ端面から出射される。光ファイバ１０８は、シングルモードファイバ等により構成される。そして、参照光ＬＲは、コリメータレンズ１１０により平行光束とされ、ガラスブロック１１２及び濃度フィルタ１１４を経由し、参照ミラー１１６により反射される。
【００２０】
参照ミラー１１６により反射された参照光ＬＲは、再び濃度フィルタ１１４及びガラスブロック１１２を経由し、コリメータレンズ１１０によって光ファイバ１０８のファイバ端面に集光され、光ファイバ１０８を通じて光カプラ１０６に導かれる。ガラスブロック１１２と濃度フィルタ１１４は、参照光ＬＲと信号光ＬＳの光路長（光学距離）を合わせるための遅延手段として、また参照光ＬＲと信号光ＬＳの分散特性を合わせるための分散補償手段として作用する。
【００２１】
濃度フィルタ１１４は、参照光の光量を減少させる減光フィルタとしても作用し、例えば回転型のＮＤ（Neutral Density）フィルタによって構成される。濃度フィルタ１１４は、濃度フィルタ駆動機構（不図示）によって回転駆動されることで、参照光ＬＲの光量の減少量を変更する。これにより、干渉光ＬＣの生成に寄与する参照光ＬＲの光量が調整される。
【００２２】
参照ミラー１１６は、参照光ＬＲの進行方向（図１に示す両側矢印方向）に移動可能である。これにより、被検眼Ｅの眼軸長やワーキングディスタンス（眼底カメラユニット１０１内の対物レンズ１０１ａと被検眼Ｅとの距離）等に応じて、参照光ＬＲの光路長が確保される。参照ミラー１１６を移動させることで、眼底の任意の深度位置の画像を取得できる。参照ミラー１１６は、参照ミラー駆動機構（不図示）によって移動される。
【００２３】
光カプラ１０６により生成された信号光ＬＳは、光ファイバ１１８により接続線１２０の端部まで導光される。光ファイバ１１８は、シングルモードファイバ等により構成される。接続線１２０の内部には光ファイバ１２０ａが導通されている。光ファイバ１１８と光ファイバ１２０ａは、単一の光ファイバから形成されていてもよいし、各々の端面同士を接合するなどして一体的に形成されていてもよい。
【００２４】
信号光ＬＳは、接続線１２０内を導光されて眼底カメラユニット１０１（プローブ部）に案内される。そして、信号光ＬＳは、眼底カメラユニット１０１（対物レンズ１０１ａ）から被検眼Ｅに照射される。眼底カメラユニット１０１は、眼底表面のカラー画像やモノクロ画像や蛍光画像を撮影するために用いられる。眼底カメラユニット１０１は、従来の眼底カメラと同様に照明光学系と撮影光学系を備えている。
【００２５】
被検眼Ｅに入射した信号光ＬＳは、眼底上にて結像し反射される。このとき、信号光ＬＳは、眼底の表面で反射されるだけでなく、眼底の深部領域にも到達して屈折率境界において散乱される。したがって、眼底を経由した信号光ＬＳは、眼底の表面形態を反映する情報と、眼底の深層組織の屈折率境界における後方散乱の状態を反映する情報とを含んでいる。この光を単に「信号光ＬＳの眼底反射光」と呼ぶことがある。
【００２６】
信号光ＬＳの眼底反射光（サンプル光）は、眼底カメラユニット１０１内の上記経路を逆向きに進行して光ファイバ１２０ａの端面に集光され、接続線１２０及び光ファイバ１１８を通じて光カプラ１０６に戻ってくる。
【００２７】
光カプラ１０６は、被検眼Ｅを経由して戻ってきた信号光ＬＳと、参照ミラー１１６にて反射された参照光ＬＲとを重畳して干渉光ＬＣを生成する。干渉光ＬＣは、光ファイバ１２２を通じてスペクトロメータ１２４に導かれる。光ファイバ１２２は、シングルモードファイバ等により構成される。なお、この実施形態ではマイケルソン型の干渉計を用いているが、たとえばマッハツェンダー型など任意のタイプの干渉計を用いることが可能である。
【００２８】
スペクトロメータ（分光計）１２４は、コリメータレンズ１２６、回折格子１２８、結像レンズ１３０、光検出器ＰＳを含んで構成される。回折格子１２８は、光を透過させる透過型の回折格子であってもよいし、光を反射する反射型の回折格子であってもよい。
【００２９】
スペクトロメータ１２４に入射した干渉光ＬＣは、コリメータレンズ１２６により平行光束とされ、回折格子１２８によって分光（スペクトル分解）される。分光された干渉光ＬＣは、結像レンズ１３０によって光検出器ＰＳの撮像面上に結像される。光検出器ＰＳは、分光された干渉光ＬＣの各スペクトルを検出して電気的な信号に変換し、検出信号を演算制御装置（不図示）に出力する。検出信号は、分光された干渉光ＬＣの各スペクトルの強度に応じた信号となる。演算制御装置は、ＯＣＴ装置１００の光検出器から入力される検出信号を解析して、被検眼Ｅの眼底の断層画像を形成する。
【００３０】
次に、図２及び図３を参照して、光検出器ＰＳについて説明する。図２は、光検出器を示す斜視図である。図３は、光検出器の断面構成を説明するための図である。
【００３１】
光検出器ＰＳは、図２に示されるように、裏面入射型固体撮像素子であって、半導体基板ＳＳの裏面側をＫＯＨ水溶液などでエッチングして薄化したＢＴ−ＣＣＤ（電荷結合素子）である。エッチングされた半導体基板ＳＳの中央領域には凹部ＴＤが形成され、凹部ＴＤの周囲には厚い枠部が存在している。凹部ＴＤの側面は、底面ＢＦに対して鈍角を成して傾斜している。半導体基板ＳＳの薄化された中央領域は光感応領域（撮像領域）であり、この光感応領域に干渉光ＬＣが、Ｚ軸の負方向に沿って入射する。半導体基板ＳＳの凹部ＴＤの底面ＢＦは、光入射面を構成している。なお、光検出器ＰＳを全領域が薄化された裏面入射型固体撮像素子とすることも可能である。
【００３２】
光検出器ＰＳは、上記半導体基板ＳＳとしてのｐ型半導体基板１を備えている。ｐ型半導体基板１は、シリコン（Ｓｉ）結晶からなり、互いに対向する第１主面１ａ及び第２主面１ｂを有している。ｐ型半導体基板１は、その厚みが画素ピッチＰ以下に設定されている。本実施形態では、画素ピッチＰは１０〜４８μｍ程度であり、ｐ型半導体基板１の厚みは１０〜３０μｍ程度である。本実施形態では、２相クロック駆動の例を示しており、各転送電極の下には、電荷の一方向転送を確実にするために不純物濃度を異ならせた領域（不図示）が存在している。
【００３３】
ｐ型半導体基板１の第１主面１ａ側には、電荷転送部としてのｎ型半導体層３が形成されており、ｐ型半導体基板１とｎ型半導体層３との間にはｐｎ接合が形成されている。ｐ型半導体基板１の第１主面１ａ上には、絶縁層７を介して、転送電極部としての複数の電荷転送電極５が設けられている。ｐ型半導体基板１の第１主面１ａ側には、図示は省略するが、ｎ型半導体層３を垂直ＣＣＤ毎に電気的に分離するアイソレーション領域も形成されている。ｎ型半導体層３の厚みは、０．５μｍ程度である。
【００３４】
ｐ型半導体基板１の第２主面１ｂにおける光感応領域９全体には、不規則な凹凸１０が形成されている。ｐ型半導体基板１の第２主面１ｂ側には、アキュムレーション層１１が形成されており、第２主面１ｂは光学的に露出している。第２主面１ｂが光学的に露出しているとは、第２主面１ｂが空気などの雰囲気ガスと接しているのみならず、第２主面１ｂ上に光学的に透明な膜が形成されている場合も含む。光検出器ＰＳが、全体が薄化された裏面入射型固体撮像素子である場合には、ｐ型半導体基板１の第２主面１ｂ全体にわたって、不規則な凹凸１０が形成されていてもよい。光検出器ＰＳが、光感応領域９付近だけ薄化された裏面入射型固体撮像素子である場合には、ｐ型半導体基板１の薄化されていない周辺の枠部や、枠部にいたる傾斜面も含んだ第２主面１ｂ全体にわたって、不規則な凹凸１０が形成されていてもよい。
【００３５】
全体が薄化された裏面入射型固体撮像素子は、枠部を設けることなく、半導体基板ＳＳの表面に別の基板を貼り付けた後に、半導体基板ＳＳの裏面側を研磨することにより得ることができる。図４に示されるように、光検出器ＰＳ１は、半導体基板ＳＳの裏面側全体が薄化されている。光検出器ＰＳ１において、半導体基板ＳＳの裏面（第２主面）には、少なくとも光感応領域に対応する領域に不規則な凹凸１０が形成されており、また、半導体基板ＳＳの裏面側には、上述したアキュムレーション層（不図示）が形成されている。
【００３６】
続いて、本実施形態の光検出器ＰＳの製造方法について説明する。
【００３７】
まず、互いに対向する第１主面１ａ及び第２主面１ｂを有するｐ型半導体基板１を用意する。用意するｐ型半導体基板１の厚みは３００μｍ程度であり、比抵抗は０．００１〜１０ｋΩ・ｃｍ程度である。本実施形態では、「高い不純物濃度」とは例えば不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示し、「低い不純物濃度」とは不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。ｎ型不純物としてはアンチモン（Ｓｂ）や砒素（Ａｓ）などがあり、ｐ型不純物としては硼素（Ｂ）などがある。
【００３８】
次に、ｐ型半導体基板１の第１主面１ａ側に、ｎ型半導体層３を形成する。ｎ型半導体層３は、ｐ型半導体基板１内において第１主面１ａ側からｎ型不純物を拡散させることにより形成する。
【００３９】
次に、ｐ型半導体基板１を、第２主面１ｂ側から、上述したように薄化する。
【００４０】
次に、ｐ型半導体基板１の第２主面１ｂ側に、アキュムレーション層１１を形成する。アキュムレーション層１１は、上述した実施形態と同様に、ｐ型半導体基板１内において第２主面１ｂ側からｐ型不純物をｐ型半導体基板１よりも高い不純物濃度となるようにイオン注入又は拡散させることにより、形成される。アキュムレーション層１１の厚みは、例えば０．５μｍ程度である。アキュムレーション層１１は、不規則な凹凸１０を形成する前に形成してもよく、また、不規則な凹凸１０を形成した後に形成してもよい。
【００４１】
次に、ｐ型半導体基板１を、熱処理して、アキュムレーション層１１を活性化させる。熱処理は、例えば、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１．０時間程度にわたって行なう。このとき、ｐ型半導体基板１の結晶性も回復することとなる。
【００４２】
次に、ｐ型半導体基板１の第２主面１ｂ側にパルスレーザ光ＰＬを照射して、、不規則な凹凸１０を形成する。ここでは、図５に示されるように、ｐ型半導体基板１をチャンバＣ内に配置し、チャンバＣの外側に配置されたパルスレーザ発生装置ＰＬＤからパルスレーザ光ＰＬをｐ型半導体基板１に照射する。チャンバＣはガス導入部ＧＩＮ及びガス排出部ＧＯＵＴを有しており、不活性ガス（例えば、窒素ガスやアルゴンガスなど）をガス導入部ＧＩＮから導入してガス排出部ＧＯＵＴから排出することにより、チャンバＣ内に不活性ガス流Ｇｆが形成されている。パルスレーザ光ＰＬを照射した際に生じる塵などが不活性ガス流ＧｆによりチャンバＣ外に排出され、ｐ型半導体基板１への加工屑や塵などの付着を防いでいる。
【００４３】
本実施形態では、パルスレーザ発生装置ＰＬＤとしてピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ発生装置を用い、第２主面１ｂの全面にわたってピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射している。第２主面１ｂはピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光に荒らされ、図６に示されるように、不規則な凹凸１０が第２主面１ｂの全面に形成される。不規則な凹凸１０は、第１主面１ａに直交する方向に対して交差する面を有している。凹凸１０の高低差は、例えば０．５〜１０μｍ程度であり、凹凸１０における凸部の間隔は０．５〜１０μｍ程度である。ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光のパルス時間幅は例えば５０ｆｓ〜２ｐｓ程度であり、強度は例えば４〜１６ＧＷ程度であり、パルスエネルギーは例えば２００〜８００μＪ／ｐｕｌｓｅ程度である。より一般的には、ピーク強度は、３×１０１１〜２．５×１０１３（Ｗ／ｃｍ２）、フルエンスは、０．１〜１．３（Ｊ／ｃｍ２）程度である。図６は、第２主面１ｂに形成された不規則な凹凸１０を観察したＳＥＭ画像である。
【００４４】
次に、ｐ型半導体基板１を、熱処理する。熱処理は、例えば、Ｎ２ガスといった雰囲気下で、８００〜１０００℃程度の範囲で、０．５〜１．０時間程度にわたって行なう。熱処理により、ｐ型半導体基板１における結晶損傷の回復及び再結晶化が図れ、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。なお、アキュムレーション層１１の形成後の熱処理を省略し、不規則な凹凸１０の形成後の熱処理のみとしてもよい。
【００４５】
次に、絶縁層７及び電荷転送電極５を形成する。絶縁層７及び電荷転送電極５を形成する工程は既知であり、説明を省略する。電荷転送電極５は、例えばポリシリコン又は金属からなる。絶縁層７は、例えばＳｉＯ２からなる。絶縁層７及び電荷転送電極５を覆うように、更に、保護膜を形成してもよい。保護膜は、例えば、ＢＰＳＧ（Boron Phosphor Silicate Glass）からなる。これにより、光検出器ＰＳが完成する。
【００４６】
光検出器ＰＳでは、光入射面（第２主面１ｂ）から干渉光ＬＣが入射すると、第２主面１ｂに不規則な凹凸１０が形成されているために、入射した干渉光ＬＣは、凹凸１０により散乱され、ｐ型半導体基板１内を様々な方向に進む。第１主面１ａ等に到達する光成分は、凹凸１０での拡散により様々な方向に進むため、第１主面１ａ等に到達した光成分が第１主面１ａにて全反射する可能性は極めて高い。第１主面１ａ等にて全反射した光成分は、異なる面での全反射や第２主面１ｂでの反射、散乱、又は拡散を繰り返し、その走行距離が更に長くなる。このように、光検出器ＰＳに入射した干渉光ＬＣは凹凸１０にて反射、散乱、又は拡散されて、ｐ型半導体基板１内を長い距離進む。そして、光検出器ＰＳに入射した干渉光ＬＣは、ｐ型半導体基板１の内部を長い距離進むうちに、ｐ型半導体基板１で吸収され、干渉光ＬＣにより生じたキャリアがｎ型半導体層３の画素ごとの電荷となり、転送されて検出されることとなる。したがって、光検出器ＰＳでは、近赤外の波長帯域での感度特性が向上する。
【００４７】
ところで、第２主面１ｂに規則的な凹凸を形成した場合、第１主面１ａや側面に到達する光成分は、凹凸にて拡散されているものの、一様な方向に進むため、第１主面１ａや側面に到達した光成分が第１主面１ａや側面にて全反射する可能性は低くなる。このため、第１主面１ａや側面、更には第２主面１ｂにて透過する光成分が増加し、光検出器ＰＳに入射した干渉光ＬＣの走行距離は短くなってしまう。このため、近赤外の波長帯域での分光感度特性を向上することは困難となる。
【００４８】
光検出器ＰＳでは、凹凸１０による反射、散乱、又は拡散により、画素間でのクロストークが発生し、解像度が低下する懼れがある。しかしながら、ｐ型半導体基板１の厚みが画素ピッチＰ以下に設定されているので、光検出器ＰＳでは、画素間でのクロストークの発生を抑制することができる。
【００４９】
光検出器ＰＳでは、ｐ型半導体基板１の第２主面１ｂ側にアキュムレーション層１１が形成されている。これにより、第２主面１ｂ側で光によらずに発生する不要キャリアが再結合され、暗電流を低減できる。アキュムレーション層１１は、第２主面１ｂ付近で光により発生したキャリアが当該第２主面１ｂでトラップされるのを抑制する。このため、干渉光ＬＣにより発生したキャリアは、ｐｎ接合へ効率的に移動し、光検出器ＰＳの光検出感度を更に向上することができる。
【００５０】
本実施形態では、アキュムレーション層１１を形成した後に、ｐ型半導体基板１を熱処理している。これにより、ｐ型半導体基板１の結晶性が回復し、暗電流の増加等の不具合を防ぐことができる。
【００５１】
本実施形態では、ｐ型半導体基板１を熱処理した後に、電荷転送電極５を形成している。これにより、電荷転送電極５に比較的融点の低い材料を用いる場合でも、熱処理により電荷転送電極５が溶融するようなことはなく、熱処理の影響を受けることなく電荷転送電極５を適切に形成することができる。
【００５２】
本実施形態では、ピコ秒〜フェムト秒パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成している。これにより、不規則な凹凸１０を適切で且つ容易に形成することができる。
【００５３】
ところで、固体撮像素子といった半導体光検出素子において、シリコンからなる半導体基板を厚く設定することにより（例えば、２００μｍ程度）、近赤外の波長帯域に分光感度特性を有する半導体光検出素子を実現することは可能である。しかしながら、上記半導体基板の厚みを大きくした場合、良好な解像度を得るためには、数十ボルト程度の高いバイアス電圧を印加し、半導体基板を完全空乏化する必要がある。完全空乏化されることなく、半導体基板に中性領域が部分的に残っていると、中性領域にて発生したキャリアが拡散して、解像度が劣化するのを防ぐためである。
【００５４】
また、半導体基板が厚いと、暗電流も増加する。このため、半導体基板を冷却し（例えば、−７０〜−１００℃）、暗電流の増加を抑制する必要もある。
【００５５】
しかしながら、光検出器ＰＳでは、上述したように、第２主面１ｂに不規則な凹凸１０が形成されていることにより、光検出器ＰＳに入射した干渉光ＬＣの走行距離が長くされる。このため、半導体基板（ｐ型半導体基板１）、特に光感応領域９に対応する部分を厚くすることなく、近赤外の波長帯域に十分な分光感度特性を有する光検出器ＰＳを実現することができる。したがって、半導体基板を厚くすることにより近赤外の波長帯域に分光感度特性を有する半導体光検出素子よりも、上記光検出器ＰＳは、極めて低いバイアス電圧の印加又はバイアス電圧の無印加で、良好な解像度を得ることができる。また、用途によっては、半導体基板の冷却も不要となる。
【００５６】
半導体基板、特に光感応領域に対応する部分が薄化されている場合、エタロン現象が生じる懼れがある。エタロン現象は、裏面から入射した披検出光と、入射した被検出光が表面で反射した光との間で干渉する現象であり、近赤外の波長帯域での検出特性に影響を及ぼす。しかしながら、光検出器ＰＳでは、第２主面１ｂに不規則な凹凸１０が形成されていることにより、入射光の位相に対して、凹凸１０で反射される光が、分散した位相差を有するので、これらの光同士が相殺され、エタロン現象が抑制される。
【００５７】
本実施形態では、ｐ型半導体基板１が第２主面１ｂ側より薄化されている。これにより、ｐ型半導体基板１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂ側をそれぞれ光入射面とした半導体光検出素子を得ることができる。すなわち、光検出器ＰＳは、裏面入射型固体撮像素子だけでなく、表面入射型固体撮像素子としても用いることができる。
【００５８】
アキュムレーション層１１を形成した後に、パルスレーザ光を照射して、不規則な凹凸１０を形成する場合、アキュムレーション層１１の厚みを、不規則な凹凸１０の高低差よりも大きく設定することが好ましい。この場合、パルスレーザ光を照射して不規則な凹凸１０を形成しても、アキュムレーション層１１が確実に残ることとなる。したがって、アキュムレーション層１１による作用効果を確保することができる。
【００５９】
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。
【００６０】
本実施形態に係る光検出器ＰＳにおけるｐ型及びｎ型の各導電型を上述したものとは逆になるよう入れ替えてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、眼科診断や歯科診断等に用いられるＯＣＴ装置に利用できる。
【符号の説明】
【００６２】
１…ｐ型半導体基板、１ａ…第１主面、１ｂ…第２主面、３…ｎ型半導体層、５…電荷転送電極、７…絶縁層、９…光感応領域、１０…不規則な凹凸、１１…アキュムレーション層、１００…ＯＣＴ装置、１０１…眼底カメラユニット、１０２…低コヒーレンス光源、１０６…光カプラ、１１６…参照ミラー、１２４…スペクトロメータ、Ｅ…被検眼、ＰＳ，ＰＳ１…光検出器、ＳＳ…半導体基板、ＴＤ…凹部。
【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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