(57)【要約】【課題】受光面における検出不可能部分をなくし、従来よりも遥かに優れた量子効率かつ低ノイズで、受光面に到達する電子を検出することができる、コンパクトな光電変換デバイスを提供する。【解決手段】複数のフォトダイオードの受光領域と、隣接する複数の受光領域それぞれの境界線部分に設けられた不活性領域とからなる受光面に対し、複数の受光領域それぞれと１対１に対応して複数のレンズを配し、マイクロレンズアレイの前記レンズそれぞれは、対応する受光領域に向かう光をこの受光領域へと導きつつ、対応する受光領域の周囲を囲む不活性領域に向かって到来する光を、対応する受光領域へと導く。【選択図】図１
2008103614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のフォトダイオード（ＰＤ；Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）を備え、各フォトダイオードの受光領域に到来した光に応じた電気信号を出力する光電変換デバイスであって、
前記複数のフォトダイオードの前記受光領域が配列された受光面と、
前記受光面の前記複数の受光領域それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズを有する、前記受光面に向かって到来する光の行路を規定するマイクロレンズアレイと、を有し、
前記受光面は、複数の前記受光領域と、隣接する複数の受光領域それぞれの境界線部分に設けられた、前記受光領域それぞれの周囲を囲む不活性領域と、からなり、
前記マイクロレンズアレイの前記レンズそれぞれは、対応する前記受光領域に向かう光を前記対応する受光領域へと導きつつ、前記対応する受光領域の周囲を囲む前記不活性領域に向かって到来する光を、前記対応する受光領域へと導くことを特徴とする光電変換デバイス。
【請求項２】
前記フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ；Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）であり、このアバランシェフォトダイオードをガイガー放電モードで動作させることを特徴とする請求項１記載の光電変換デバイス。
【請求項３】
前記マイクロレンズアレイはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）レンズアレイであって、
同一材料を加工することで、配列された前記複数のレンズが一括して形成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換デバイス。
【請求項４】
配列された前記複数のフォトダイオードは、１つの半導体基板を処理することで、前記半導体基板上に一括して形成されたものであり、
前記マイクロレンズアレイは、前記複数のフォトダイオードが配列された状態の前記半導体基板に対して前記同一材料の層を形成し、前記同一材料の層を加工することで、前記複数の受光領域それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズを一括して形成されたものであることを特徴とする請求項３記載の光電変換デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のフォトダイオード（ＰＤ；Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）を備え、各フォトダイオードの受光領域に到来した光それぞれに応じた電気信号を出力する光電変換デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、所定の２次元領域に到来する微弱な光を検出するための手段として、ＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  Ｔｕｂｅ）アレイ等が利用されている。ＰＭＴは、光電面、集束電極、電子増倍部、陽極（電子を集める電極）を真空管の中に収めた高感度の光センサであり、光電面に光が当たると、光電面から真空中に光電子が放出され、その光電子が集束電極によって電子増倍部に導かれて、2次電子放出効果によって増倍（増加）される。ＰＭＴは、この２次電子放出効果を利用して光電子を増倍（１００万倍〜１０００万倍）することにより、光センサの中でも高い像倍率を有するといった長所を有している。しかし、ＰＭＴでは、入射してくる光子数に対して、光電面で発生する光電子の割合を表す量子効率は、約２０％未満とそれほど高くなかった。このため、所定の２次元領域に到来する微弱な光子の数を計測する、いわゆるフォトンカウンティングの用途には、それほど高い精度を期待できないといった欠点を有している。
【０００３】
近年、このようなＰＭＴアレイと比較して、フォトンカウンティング能力がより優れた光検出器として、シリコンフォトマルチプライヤー（ＳｉＰＭ；Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏ  Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）の開発が進められている。ＳｉＰＭは、マルチピクセルフォトンカウンター（ＭＰＰＣ；Ｍｕｌｔｉ  Ｐｉｘｅｌ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｃｏｕｎｔｅｒ）とも呼ばれ、受光面内に、量子効率の高い多数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ；Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）が配列された構造をしている。ＳｉＰＭでは、配列された各ＡＰＤそれぞれが、それぞれのＡＰＤの受光領域が光子を受光したか否かの２通りのシグナルを出す。各ＡＰＤの量子効率は、ほぼ１００％であるといえ、ＡＰＤの受光領域に入射した光子に対して優れた分解能を有する。下記非特許文献には、このようなＳｉＰＭについて記載されている。
【非特許文献１】信原  岳、“新型光検出器ＭＰＰＣの開発”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成１８年２月２６日、京都大学大学院理学研究科  物理学第二教室  高エネルギー物理学研究室、［平成１８年９月２２日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/theses/master/nobuhara_mt.pdf＞
【０００４】
図５は、ＳｉＰＭの受光面について説明する図であり、受光面の一部を、ＡＰＤの受光領域の側から見た拡大上面図である。受光面１００には、各ＡＰＤ１０２の受光領域１０４と、隣接する複数のＡＰＤ１０２の受光領域１０４それぞれの境界線部分に設けられた、各受光領域１０４それぞれの周囲を囲む不活性領域１０６とが配置されている。この不活性領域１０６は、各ＡＰＤ素子を独立して動作させるために不可欠なものである。この不活性領域１０６には、ＡＰＤのｐｎ接合部において増幅された電荷の通り道となるクエンチング抵抗体１０８や、配列された全ピクセル（ＡＰＤ）共通の読み出しライン１１０なども配置される。このような抵抗や電極を設置するためにも、不活性領域１０６はＳｉＰＭにおいて不可欠である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなＳｉＰＭでは、ＡＰＤ１０２の受光領域１０４に入射した光については、ほぼ１００％の効率で電子に変換されて増倍され、入射した光子の数に応じた信号が出力される。しかし、上述のようにＳｉＰＭの受光面には、不活性領域１０６が不可欠である。このような不活性領域１０６に到来した光子については、当然、ＡＰＤにおいて光電変換はなされない。すなわち、図５に示すようなＳｉＰＭでは、受光面の特定部分に到達した光子については、光子の到来自体、そもそも正確に検出することができないといった問題があった。結果として、従来のＳｉＰＭでは、ＳｉＰＭ装置全体としての量子効率（すなわち受光面１００に到来する光子の数に対する、光電変換されて検出された電子の数）を、１００％近くにはすることができなかった。図５に示す例では、例えば、受光面１００における受光領域１０４の面積は５０％程度であり、ＡＰＤ自体の量子効率がほぼ１００％の値が得られているにもかかわらず、ＳｉＰＭ装置全体としての量子効率は、４０％程度にしかすることができなかった。また、不活性領域１０６に入射した光が、不活性領域における何らかの効果で電子に変換されて迷走電流が生じ、光子の到来からある程度の時間をもって配線に到達するなどして、検出結果のノイズとして含まれてしまうといった問題もあった。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題点に着目してなされたものであり、受光面における検出不可能部分をなくし、従来よりも遥かに優れた量子効率かつ低ノイズで、受光面に到達する電子を検出することができる、コンパクトな光電変換デバイス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】
【０００７】
上記問題を解決するために、本発明は、複数のフォトダイオード（ＰＤ；Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）を備え、各フォトダイオードの受光領域に到来した光に応じた電気信号を出力する光電変換デバイスであって、前記複数のフォトダイオードの前記受光領域が配列された受光面と、前記受光面の前記複数の受光領域それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズを有する、前記受光面に向かって到来する光の行路を規定するマイクロレンズアレイと、を有し、前記受光面は、複数の前記受光領域と、隣接する複数の受光領域それぞれの境界線部分に設けられた、前記受光領域それぞれの周囲を囲む不活性領域と、からなり、前記マイクロレンズアレイの前記レンズそれぞれは、対応する前記受光領域に向かう光を前記対応する受光領域へと導きつつ、前記対応する受光領域の周囲を囲む前記不活性領域に向かって到来する光を、前記対応する受光領域へと導くことを特徴とする光電変換デバイスを提供する。
【０００８】
なお、前記フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ；Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）であり、このアバランシェフォトダイオードをガイガー放電モードで動作させることが好ましい。
【０００９】
また、前記マイクロレンズアレイはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）レンズアレイであって、同一材料を加工することで、配列された前記複数のレンズが一括して形成されたものであることが好ましい。
【００１０】
また、配列された前記複数のフォトダイオードは、１つの半導体基板を処理することで、前記半導体基板上に一括して形成されたものであり、前記マイクロレンズアレイは、前記複数のフォトダイオードが配列された状態の前記半導体基板に対して前記同一材料の層を形成し、前記同一材料の層を加工することで、前記複数の受光領域それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズを一括して形成されたものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光電変換デバイスによれば、受光面における検出不可能部分をなくし、従来よりも遥かに優れた量子効率かつ低ノイズで、受光面に到達する電子を検出することができる。本発明によれば、複数のフォトダイオードの受光領域が配列されてなる受光面に対し、受光面の複数の受光領域それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズからなるマイクロレンズアレイを設けただけの、非常にコンパクトな光電変換デバイスによって、このような優れた効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の光電変換デバイスについて、添付の図面に示される好適実施形態を基に詳細に説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の光電変換デバイスの一例であるＳｉＰＭ光検出装置１０（ＳｉＰＭ１０）について説明する図であり、図１（ａ）は、ＳｉＰＭ１０の受光面１１の一部を、ＡＰＤの受光領域の側から見た拡大斜視図である。また、図１（ｂ）は、ＳｉＰＭ１０をＡ−Ａ’線で切断したときの断面図である。また、図１（ｃ）は、ＳｉＰＭ１０をＢ−Ｂ’線で切断したときの断面図である。
【００１３】
ＳｉＰＭ１０は、受光面１１内に、量子効率の高い複数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ１２）の受光領域１４が配列された構造をしている。受光面１１には、各ＡＰＤ１２の受光領域１４と、隣接する複数のＡＰＤ１２の受光領域１４それぞれの境界線部分に設けられた、各受光領域１４それぞれの周囲を囲む不活性領域１６とが配置されている。この不活性領域１６は、各ＡＰＤ素子を独立して動作させるためのものである。この不活性領域１６には、ＡＰＤのｐｎ接合部において増幅された電荷の通り道となるクエンチング抵抗体１８や、配列された全ピクセル（ＡＰＤ）共通の読み出しライン２０なども配置される。本発明の一例であるＳｉＰＭ１０は、受光面１２の複数の受光領域１４それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズ３２を有する、受光面１２に向かって到来する光の行路を規定するためのマイクロレンズアレイ３０を備えて構成されている。
【００１４】
ＡＰＤ１２は、公知のアバランシェフォトダイオードであって、図示しないバイアス電圧源によってｐｎ接合部に逆バイアス電圧を印加して、電子雪崩効果のおこる直前の状態に保っておき、接合面に入射した光によって生成された電子による衝突電離がトリガとして生じる電子雪崩をもって、この入射した光を検出するものである。本実施形態のＡＰＤ１２では、入射した光子がドリフト領域２２において電子−ホール対に変換され、電子は比較的弱い電場によってｐ＋層２４とｎ＋層２６との接合部に形成された空乏層に対応するガイガー領域２８までドリフトする。このガイガー領域２８に到達した電子は、ガイガー放電によって約１０６倍に増幅され、増幅された電荷はポリシリコンからなるクエンチング抵抗１８（図１（ｂ）（ｃ）では図示せず）を経由して、アルミからなる各ＡＰＤ１２共通の読み出しライン２０を通じて、図示しない検出器によって検出電気信号として読み出される。なお、ｐｎ接合の周辺部に電界が集中し、周辺部でアバランシェ降伏が起こることを防ぐためのガードリング２９が、ガイガー領域２８を囲うように設けられている。このように、各ＡＰＤ１２は、入射フォトンによりガイガー放電を起こし増幅電荷を出力し、これら各ＡＰＤ１２における増幅電荷の総和が、共通の読み出しライン２０を通じて検出電気信号として検出される。
【００１５】
これら複数のＡＰＤ１２は、同一の半導体製造プロセスを経て、同一の半導体基板１３上に一括して作製されたものである。同一の半導体基板に半導体製造プロセスを施すことで、複数のフォトダイオード（ＰＤ）を一括して作製することで、複数のＡＰＤの特性（増幅率など）を略同一にすることができるとともに、各ＡＰＤの配置精度を非常に高くすることができる。このような複数のＡＰＤ１２それぞれは、ある程度広い不活性領域１６によって隣りあったＡＰＤ１２と離間するとともに、ガードリング２９によって電気的に遮蔽されている。各ＡＰＤ１２の機能の孤立性を保つためにも、不活性領域１６はある程度広い必要があり、結果として、受光面１１内における受光領域１４の割合（面積の割合）は約５０％程度となっている。逆にいえば、各ＡＰＤ１２の孤立性を保つために５０％近い不活性領域が必要となっている。
【００１６】
１つのＡＰＤ１２では、ガイガー放電モードにおいて、ガイガー領域２８（空乏層）のキャパシタンスＣｐｉｘｅｌは、バイアス電圧Ｖｂｉａｓによらず一定の値をとる。よって、ガイガー領域２８に蓄えられる電荷はＶｂｉａｓに線型比例する。いま、ドリフトしてきた電子がガイガー領域２８（空乏層）に到達すると、ガイガー放電により、蓄えられた電荷はクエンチング抵抗Ｒｐｉｘｅｌを通って流れ出す。この影響により、ガイガー領域２８にかかる電圧が、一時ブレークダウン電圧Ｖ０以下に降下することで、ガイガー放電は終了する。このとき、このＡＰＤ１２からは、ガイガー放電により、Ｑｐｉｘｅｌ＝Ｃｐｉｘｅｌ・（Ｖｂｉａｓ−Ｖ０）の電荷が出力される。電荷が出力されてしまうまでに要する時間、つまりシグナル幅は、Ｃｐｉｘｅｌ×Ｒｐｉｘｅｌで決まる。このようなＡＰＤ１２が複数配列されたＳｉＰＭ１０では、全てのＡＰＤ１２が同じ増幅率をもつことで、共通の読み出しライン２０を通じて得られる検出電気信号の大きさから、光子を受光したＡＰＤ１２の数、すなわちＳｉＰＭ１０の受光面１１に入射した光量（ｐ．ｅ．）を求めることができる。本実施形態では、同一の半導体基板１３に半導体製造プロセスを施すことで、配列された複数のＡＰＤ１２を一括して形成することで作製されたものであり、全てのＡＰＤ１２の増幅率は非常に高い精度で一致している。検出電気信号の大きさ（電荷量）ＱＳｉＰＭは、ＱＳｉＰＭ＝Ｎ×Ｑｐｉｘｅｌと表すことができる。ここで、Ｎは、ガイガー放電したＡＰＤ１２の数である。
【００１７】
ＳｉＰＭ１０では、このような複数のＡＰＤ１２の受光領域１４がそれぞれ配列されてなる受光面１１に対し、各受光領域１４それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズ３２を有するマイクロレンズアレイ３０が配置されている。マイクロレンズアレイ３０の各レンズ３２それぞれは、対応する受光領域１４に向かう光を対応する受光領域１４へと導きつつ（例えば、図１（ｂ）および（ｃ）に示す矢印Ｐ１およびＰ４）、対応する受光領域の周囲を囲む不活性領域１６に向かって到来する光を、対応する受光領域１４へと導く（例えば、図１（ｂ）および（ｃ）に示す矢印Ｐ２、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ６）。図１（ｂ）および（ｃ）に示す実線の矢印は、マイクロレンズアレイ３０（の各レンズ３２）によって規定される光の行路の例を示し、破線矢印は、マイクロレンズアレイ３０（の各レンズ３２）が無かった場合の、光の行路を示している。
【００１８】
例えば、マイクロレンズアレイ３０が無い場合、図１（ｂ）および（ｃ）に破線矢印で示すように、矢印Ｐ２、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ６に対応する光は、受光面１１上の不活性領域１６に到達する。このような不活性領域１６に到達した光については、基本的には検出することができない。このため、受光面１２が、特定の空間領域から到来する光を検出するよう設定されていたとしても、この特定空間上の不活性領域１６に対応する部分から到来する光については、検出できないことになる。なお、不活性領域１６に到来した光子であっても、不活性領域１６における何らかの作用により、電子を生成する場合がある。しかし、このような生成電子は、迷走電流として、受光面１１上を不特定経路で走行し、例えば共通の読み出しライン２０に到達する。このようにして到達した電子は、受光面１１に光が到達してから、比較的長い不特定な時間だけ迷走している。このような不活性領域１６で生じた電子については、起因となる光子の受光面１１への到達タイミングを正確に知ることはできず、検出電気信号のノイズ成分となる。
【００１９】
本発明の光電変換デバイスでは、マイクロレンズアレイ３０の各レンズ３２によって、受光面１１の範囲に到達する光子については、ほぼ完全に、複数のＡＰＤ１２のうちの対応するＡＰＤ１２の受光領域１４へと導くことができる。このため、受光面１１を、特定の空間領域から到来する光を検出するよう設定した場合、この特定空間から到来する光について、ほぼ完全に検出できることになる。すなわち、特定の空間領域から到来する光子について、ほぼ完全に、いずれかのＡＰＤ１２の受光領域１４へと導くことができる。そして、各ＡＰＤ１２において、高い量子効率（ほぼ１００％）で光子を電子に変換して増幅し、共通の読み出しライン２０を通じて検出電気信号を得ることができる。このように、本発明の光電変換デバイスによれば、受光面における検出不可能部分をなくし、従来よりも遥かに優れた量子効率かつ低ノイズで、受光面に到達する電子を検出することができる。本発明によれば、複数のフォトダイオードの受光領域が配列されてなる受光面に対し、受光面の複数の受光領域それぞれと１対１に対応して配列された複数のレンズからなるマイクロレンズアレイを設けただけの、非常にコンパクトな光電変換デバイスによって、このような優れた効果を得ることができる。
【００２０】
本実施形態のマイクロレンズアレイ３０は、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）レンズアレイであって、レンズ材料を加工することで、配列された複数のレンズを一括して形成したものである。このマイクロレンズアレイ３０は、複数のＡＰＤ１２が作製された半導体ウエハ１５（半導体基板１３に複数のＡＰＤ１２が一括して作製された状態のウエハであり、ダイジングなどによって分割される前の状態である）に対して半導体プロセスを施すことで、配列された複数のレンズ３２を一括して作製したものである。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｄ）は、マイクロレンズアレイ３０の作製工程について説明する概略断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、複数のＡＰＤ１２が半導体基板１３（図２においては図示せず）上に作製された半導体ウエハ１５を用意する（図２では、ＡＰＤ１２のｎ＋層２６のみ図示している）。この半導体ウエハ１５表面に、レンズ材料である、ガラスなどの透明基板４２を貼りつけ、この透明基板４２上に、いわゆるフォトレジストなどの感光性樹脂層４４を形成する（図２（ｂ））。そして、この感光性樹脂層４４に公知のグレースケールマスク露光を施した後に現像処理を施し、感光性樹脂層をレンズ状に成型する（図２（ｃ））。グレースケールマスク露光とは、濃淡パターンを有するマスク（グレースケールマスク）を通して紫外光ランプなどによる平行光を感光性樹脂層（例えば、光硬化性樹脂層）表面に照射し、濃淡パターンを光感光深さパターン（例えば光硬化深さパターン）に変換して造形を行なう方法である。このグレースケールマスク露光では、連続的に変化する濃淡パターンにより，硬化深さ（硬化物の厚さ）が連続的に変化する造形が行なえるため，段差のない滑らかな曲面などを有する造形を行なうことができる。そして、図２（ｃ）に示す状態で、透明基板４２をエッチングするための異方性ドライエッチングを施すことで、図２（ｄ）に示すように、半導体ウエハ１５表面に、配列された複数のレンズ３２が作製される。この異方性エッチングは、基板垂直方向に透明基板４２をエッチングするものであり、感光性樹脂層４４も同時にエッチングする。このような異方性エッチングによって、エッチング開始時点での感光性樹脂層４４の形状（レンズ形状）を、透明基板４２に転写する。
【００２２】
複数のＡＰＤ１２は、同一の半導体基板１３に半導体製造プロセスを施すことで一括して形成されたものであり、半導体ウエハ１５上の所定の位置に正確に作製されている。上記グレースケールマスク露光の際は、複数のＡＰＤ１２ともに半導体ウエハ１５表面に一括して作製された、例えばアライメントマークなどの特定形状を基に、各複数のＡＰＤ１２それぞれに対応するよう露光を行なう。このため、図２（ｂ）に示す感光性樹脂層４２のレンズ形状位置は、各ＡＰD１２と非常に高精度に対応させることができ、このレンズ形状が転写されることで形成された各レンズ４２は、ＡＰＤ１２の受光領域１４と高い位置精度で対応させることができる。
【００２３】
このように、各ＡＰD１２の受光領域１４に対してレンズ４２が非常に高い位置精度で配置されているので、不活性領域１６に向かって進む光を、非常に高い位置精度で所望の位置に導くことができる。例えば、各ＡＰＤ１２に対するレンズ４２の配置精度が悪い場合、ＡＰＤの１２の受光領域１４の中にレンズ４２によって導いた光が必ず入射するよう、レンズ４２による集光領域の大きさを、受光領域１４の大きさに対してなるべく小さくする必要がある。ＡＰＤの場合、ＰＭＴのように光電面が焼け付く心配はないので、レンズ４２による集光領域の大きさをなるべく小さくしても、光の検出自体に問題が生じることはない。しかし、レンズ４２による集光領域の大きさを、受光領域１４の大きさに対してなるべく小さくするには、レンズ４２の曲率をなるべく大きくしたり（図２中の距離ｂを大きくしたり）、レンズ４２の曲率部分と受光領域１４との距離（図２中の距離ａ）をなるべく大きくする必要が生じる。この場合、結果としてＳｉＰＭ全体の大きさが大きくなる。本実施形態のように、同一の半導体基板に半導体製造プロセスを施すことで複数のＡＰＤを一括して作製し、これらＡＰＤが作製されたウエハに半導体プロセスを施すことで、配列された複数のレンズを一括して作製することで、各ＡＰDの受光領域に対してレンズを非常に高い位置精度で配置することができる。このため、レンズ４２による集光領域の大きさを、受光領域１４の大きさに対してそれほど小さくしなくても、不活性領域１６に向かって進む光を、確実に対応する受光領域へと導くことができる。このため、レンズ４２の曲率を比較的小さく（図２中の距離ｂは比較的小さく）したり、レンズ４２の曲率部分と受光領域１４との距離（図２中の距離ａ）を比較的小さくしたりして、ＳｉＰＭ全体の大きさを非常にコンパクトに構成したとしても、受光面に向かって到来する光を高精度に検出することができる。
【００２４】
マイクロレンズアレイ３０（レンズ３２）の材質は特に限定されず、例えば、感光性樹脂材料（感光性樹脂層の材料）であってもよい。この場合、上記透明基板４２は設けず、半導体ウエハ１５表面に感光性樹脂層４４を直接塗布し、上記グレースケールマスク法によって感光性樹脂材料のレンズアレイを作製すればよい。なお、マイクロレンズアレイ３０の作製方法は特に限定されず、いわゆるＭＥＭＳレンズの作製方法として公知である、リフロー法やイオン拡散法、インクジェット法などを用いてもよい。なお、リフロー法とは、フォトリソグラフィーにより円柱状のフォトレジストパターンを作製した後，基板を加熱してレジストを流動させ，表面張力によりレンズ形状を作製する方法である。イオン拡散法とは、レンズ形状に合わせたマスクを形成したガラス基板にイオンを拡散させて、段階的な屈折率変化をもたせる方法である。また、インクジェット法とは、インクジェットプリンタヘッドを利用して微量の樹脂材料を所定の位置に滴下し，表面張力によりレンズ形状を作製する方法である。マイクロレンズの作製方法については、特に限定されない。
【００２５】
なお、図１に示す例では、各ＡＰＤ１２の受光領域１４の形状は略正方形で示されているが、受光領域の形状は、本発明において特に限定されない。例えば、図３のように、その他の多角形（図３では略正六角形）の受光領域５４が、この受光領域５４を囲む不活性領域５６を境界線として隣接して配置されていても構わない。また、受光領域は、円形などの曲線で囲まれた形状であってもよく、形状は特に限定されない。また、受光領域は、ｐｉｎフォトダイオードなど、フォトダイオードの受光領域であればよく、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の受光領域であることに限定されない。
【００２６】
また、受光面を構成する基板は、同一の半導体基板に半導体製造プロセスを施すことで複数のフォトダイオード（ＰＤ）を一括して作製されたものに限定されず、例えば、分割された１つ１つのフォトダイオードの受講領域を、同一面上に配列して構成したものであってもよい。ただし、複数のＡＰＤの特性（増幅率など）を略同一にすることができるとともに、各ＡＰＤの配置精度を非常に高くするためには、同一の半導体基板に半導体製造プロセスを施すことで、複数のフォトダイオード（ＰＤ）を一括して作製したものを用いることが好ましい。また、マイクロレンズアレイの作成方法としては、配列された複数のレンズ一括して作製することに限定されず、例えば、１つ１つのレンズを個別に作製した後、各レンズを配列してもよい。ただし、配置精度を高め、よりコンパクトな装置を実現するためには、配列された複数のレンズを一括して作製することが好ましい。
【００２７】
なお、本実施形態では、レンズの材料としてガラス基板を例示したが、レンズ材料については特に限定されず、用途に応じて適宜選択すればよい。レンズの曲率や、曲率部分と受光面との距離など、形状についても特に限定されない。例えば、図１（ｂ）および（ｃ）に示す、距離ａや距離ｂなど、用途に応じて適宜設定すればよい。なお、レンズは受光面と接触していることに限定されず、例えば、図４に断面図で示すように、レンズ６２の底面６４と受光面１１とは離間していてもよい。
【００２８】
本実施形態では、共通の読み出しライン２０を通じて得られる検出電気信号の大きさから、光子を受光したＡＰＤ１２の数、すなわちＳｉＰＭ１０の受光面１１に入射した光量（ｐ．ｅ．）を求める例について説明した。本発明の光電変換デバイスの用例は特に限定されない。例えば、各受光領域それぞれに入射した光子に応じた電気信号を、各受光領域毎に分類して取得することで、受光面全体に投影された光を検出して画像情報を取得する、いわゆるカメラとして用いてもよい。本発明の光電変換デバイスでは、受光面に不活性領域があっても、受光面に向けて到来する光を余すことなくほぼ完全に検出することができるので、欠落のない完全な画像情報を取得することができる。
【００２９】
本発明の光電変換デバイスでは、不活性領域に光子が入射することがなく、このような光子（受光領域以外の部分に到達した光子）に起因する雑音成分が生じることがないので、また、不活性領域を比較的広くしたとしても、受光面に到来する光をほぼ完全に受光領域に導いて検出することができるので、不活性領域を比較的広く確保することができる。このため、配線や電極やその他のデバイス等を、不活性領域に比較的自由に配置することができ、上記カメラ用途など、様々な用途に応じたチャンネル構成を実現できる。すなわち、複数のＡＰＤそれぞれにおける検出信号を、様々な形態で、出力したり信号処理することができる。
【００３０】
以上、本発明の光電変換デバイスについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の光電変換デバイスの一例であるＳｉＰＭについて説明する図であり、図１（ａ）はＳｉＰＭの受光面の拡大上面図、（ｂ）および（ｃ）はＳｉＰＭの断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の光電変換デバイスの、マイクロレンズアレイの作製工程の一例について説明する概略断面図である。
【図３】本発明の光電変換デバイスの他の例について説明する図であり、他の例の受光面の上面図である。
【図４】本発明の光電変換デバイスの他の例について説明する断面図である。
【図５】従来の光電変換デバイスの一例であるＳｉＰＭの、受光面の拡大上面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  ＳｉＰＭ光検出装置
１１、６６、１００  受光面
１２、１０２  ＡＰＤ
１３  半導体基板
１４、５４、１０４  受光領域
１５  半導体ウエハ
１６、５６、１０６  不活性領域
１８、１０８  クエンチング抵抗体
２０、１１０  読み出しライン
２４  ｐ＋層
２６  ｎ＋層
２８  ガイガー領域
３０  マイクロレンズアレイ
３２、６２  レンズ
４２  透明基板
４４  感光性樹脂層
６４  底面
【図１】
2008103614.tif 000003
【図２】
2008103614.tif 000004
【図３】
2008103614.tif 000005
【図４】
2008103614.tif 000006
【図５】
2008103614.tif 000007