(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極（２）に接続された第１型導電体の半導体サブストレート（１）と、光信号を検知して受信するために前記サブストレートの表面に形成された第２型導電体の能動区域（４）を有し、
前記能動区域（４）が、前記サブストレート（１）の部分（１１、１２）により電気的に互いに絶縁され、且つ第２電極（１３、１４、１５）にそれぞれ独立して接続された複数の半導体領域（８、９、１０）で構成された光検出素子において、
前記第２電極（１３、１４、１５）が、対応する半導体領域（８、９、１０）の下方で荷電粒子のアバランシェ増倍を生じさせることのできる各種のバイアス電圧と、検出された光信号を示す電気信号の出力の結果により独立して制御されることを特徴とする光検出素子。
【請求項２】
前記光検出素子が、
前記能動区域（４）の下に、高いドーパント密度を有する第１型導電体（３）の半導体領域を備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出素子。
【請求項３】
前記第１型導電体（３）の半導体領域の広さが、前記能動区域（４）の広さよりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の光検出素子。
【請求項４】
前記能動区域（４）を囲んで、前記半導体領域（８、９、１０）のドーパント密度より低いドーパント密度を有する第２型導電体の環状半導体領域（７）が設置されたことを特徴とする請求項１に記載の光検出素子。
【請求項５】
前記能動区域（４）の前記半導体領域（８、９、１０）が、同心円環の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の光検出素子。
【請求項６】
前記能動区域（４）の前記半導体領域（８、９、１０）が、扇形の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の光検出素子。
【請求項７】
能動区域（４）を有する光検出素子の光信号検出方法であって、
能動区域（４）が、第１電極（２）に接続された第１型導電体の半導体サブストレート（１）の表面に形成され、且つ、前記半導体サブストレート（１）の部分（１１、１２）により互いに電気的に絶縁されるように構成された第２型導電体の複数の半導体領域（８、９、１０）で構成されており、更に前記能動区域（４）が、独立して第２電極（１３、１４、１５）にそれぞれ連結されており、
前記光検出素子の能動区域（４）上に光信号が入射するステップと、
前記第２電極（１３、１４、１５）と対応する前記半導体領域（８、９、１０）の下方で、荷電粒子のアバランシェ増倍を生じさせることができる各種のバイアス電圧を接続することにより、前記半導体領域（８、９、１０）の電気的選択を行うステップと、
前記荷電粒子のアバランシェ増倍により引き起こされた電気信号の検出を行うステップを含むことを特徴とする光信号検出方法。
【請求項８】
前記能動区域（４）の幾つかの前記半導体領域（８、９、１０）が、有効領域と呼ばれ、前記光検出素子の破壊電圧より低いが、荷電粒子のアバランシェ増倍を有するには充分なだけそれに近く、単位より著しく大きい電流利得を保証するようなバイアス電圧に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の光信号検出方法。
【請求項９】
前記能動区域（４）の前記半導体領域（８、９、１０）の幾つかが、有効領域と呼ばれ、前記光検出素子の崩壊電圧より高いバイアス電圧に接続されることを特徴とする請求項７に記載の光信号検出方法。
【請求項１０】
前記能動区域（４）の前記半導体領域（８、９、１０）の残りの部分が、規制領域と呼ばれ、前記アバランシェ増倍を阻止するのに充分なほど低い電圧に接続されることを特徴とする請求項８又は９に記載の光信号検出方法。
【請求項１１】
前記電気信号が、前記いくつかの半導体領域（８、９、１０）に適用するバイアスの電圧の選択に関わりなく前記第１又は第２電極（２、１３、１４、１５）の内のいずれか１つから与えられることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１つに記載の光信号検出方法。
【請求項１２】
前記電気信号を与える電極が、前記第１電極（２）であることを特徴とする請求項１１に記載の光信号検出方法。
【請求項１３】
前記電気信号を与える電極が、前記第２電極（１３、１４、１５）のうち、前記光検出素子の作動状態が常に前記有効領域となる前記半導体領域（８、９、１０）に対して接続された１つであることを特徴とする請求項１１に記載の光信号検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高感度を有し光検出素子自体と一体になった可調整マイクロメータ隔膜を備えた光検出素子に関する。更に詳しくは、これは共焦点顕微鏡における使用に適した検出素子である。
【０００２】
【従来の技術】
光信号の測定を可能にする光検出素子は既知である。その用途には、所定の情報が明確に区切られた小領域に入射する光信号によってのみもたらされる場合がある。そのような場合に、光検出器に要求されるのは、その小領域への光子到着に応じてのみ出力信号を発生することである。
【０００３】
とりわけ共焦点顕微鏡においては、上述の方法で機能し、加えて超微小照度で働くのに適した超高感度を有する光検出装置が、各種の場合に単一光子の検出を扱う場合にさえも、使用される。これら超高感度に達するには光検出器を使用することが必要で、それらはまた超微小照度を用いて光信号自体を処理する電子回路の雑音より高いレベルの電気信号を与え、感度が処理回路の雑音により制限されることのないようにする必要がある。前記特性を有する光検出素子で利用することの出来るものは、光電子増倍管（ＰＭＴ）、増幅器と同じように働くアバランシェフォトダイオード（アバランシェフォトダイオードＡＰＤ）、ガイガーモードで働くアバランシェフォトダイオード（単一光子アバランシェダイオードＳＰＡＤ）である。光検出素子に到着する光の選択は、光検出器自体の前に置かれ、正確に定義された開口部の径と位置を有する機械式測微隔膜を用いて得られる。
【０００４】
様々の場合に、同一測定の各種段階において又は異なる条件下でおこなわれる一連の測定における各種要件に適合させるため、選択された領域を調節することが出来ることもまた要求される。共焦点顕微鏡における一般的な場合は、極めて小さいサンプル（流体中に希釈された単一分子も）から到来する光信号の検出が必要な場合で、これは径の極めて小さい隔膜を用いておこなうのは困難である。これらの場合には、径の大きい微小隔膜を用いて大きい観測領域から光を集めるサンプルの予備観測が必要で、探索中の対象物を同定したら、順に狭い微小隔膜の使用に移って、観測を小さくてもっと明白な塊に限定し、精密な測定値を入手する。とは言うものの、これは可調機械式微小隔膜の使用を必要とし、検出器具の大きさ、複雑さ及び価格の増大を意味し、素子を、顕微鏡の電子制御システムにより制御することが出来るようにすると、その増大は特に著しくなる。
【０００５】
電磁式作動装置及び可動機械部品の使用を避け、その代わりに、電子式手段のみを用いてその寸法を制御することの出来る感知領域を有し、必要な高感度を有する光検出器を用いるのが有益である。
この問題に対する解決策を、小部分（ピクセル）に分割された感知領域を備えた光検出器、即ちアレー検出器又は画像検出器、の使用に見出すことが出来る。とは言っても、現在利用することの出来るアレー検出器又は画像検出器の有する特性は、上述の問題の解決には全く適切なものではない。
【０００６】
工業製品の光電子増陪管（ＰＭＴ）の中で、小区域に分割された陽極を有する型を利用することが出来るが、これらの区域は充分に小さくなく、かなりの大きさの空所により分離されているので、これが検出効率を著しく低下させる。加えて、これらのＰＭＴは、多数の別個の電気出力（ピクセル当たり１つ）を有するので、これが信号処理用電子回路の複雑さ、全体寸法及び原価を増加する。
【０００７】
別の型のＰＭＴでは、連続的な、つまり空所のない検出区域内への入射の位置に対し敏感に反応する光インパルスを検出することが出来る。とは言っても、これらは高価で扱い難く感知区域内の光信号の入射位置に関する情報を抽出するため複雑な電子回路の使用を必要とする。これらは高感度レベルで、単一光子検出レベルでさえも、働くことが出来るが、全領域で検出される光子の最大許容計数速度は、普通のＰＭＴを用いて達せられるものより低い。この限界により、測定のダイナミックレンジが著しく狭められる。
【０００８】
ＡＰＤアレーは、今日では工業製品からもまた利用することができ、区分された陽極を有する上記ＰＭＴと相似の欠点を示す。その上、有する増倍利得が高くなく（値が１０分の１の桁から１００分の１の桁）、また各種ピクセルに関し一様でなく、温度変化によって変動する。
ＳＰＡＤアレーは、上述の検出器と対照的に、未だ市販で入手することの出来ない研究対象で、ピクセル間の光混信と言う難題がある。この混信は、ピクセル内のアバランシェ荷電粒子による光放射のためで、これが隣接ピクセルの中に偽の光子検出信号を発生する。これを除去するため、効率の良いピクセルの光絶縁を設けなければならないが、これは製造技術上の著しい困難があり、いずれにしろピクセル間の空所及びＳＰＡＤアレーの生産費の増加をもたらす原因である。
【０００９】
米国特許５，９００，９４９号から、ＣＣＤ画像検出器（電荷結合素子）もまた前記目的に使用されたと思われる。これらの検出器は、工業製品から入手することが出来、各種の興味深い特性を有する（量子検出効率が良い、使用に融通性がある、など）。しかし、これらには内部利得がないので、その感度が明らかに低く、これを使って単一光子を検出することは出来ない。
【００１０】
【発明の解決しようとする課題】
これまで述べた技術状態に鑑み、本発明の目的は、共焦点顕微鏡で使用するのに適し、既存素子より簡単な構造を有し使用が容易で、超微小光強度を測定する能力のある、統合微小隔膜を有する光検出素子を構築することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明にしたがうと、第１電極に接続された第１型導電体の半導体のサブストレートであって、能動区域を含み、前記能動区域が、電気的に互いに絶縁された第２型導電体の各種半導体領域から作られ、第２型導電体の前記第２半導体領域の各々が他とは別個に適切なバイアス電圧に接続することが出来るよう第２電極に接続されることを特徴とする、サブストレートを含む、光検出素子を用いて前記目的が達せられる。
【００１２】
本発明の対象である素子は、必要な作用の目的にとって不可欠の各種特性に関し、ＡＰＤ又はＳＰＡＤアレーとは異なる。
【００１３】
詳細に説明すると、本素子においては第２型領域の間の空所を最小にすることが出来る。現実に、第２型の隣接領域を分離する距離は、前記領域間の電気絶縁を確実にするため必要な局限まで小さくすることが出来るので、ＡＰＤ及びＳＰＡＤアレー中のピクセルを分離するものより遙かに小さくなる。現実に、ＡＰＤ又はＳＡＰＤアレーにおいては各種ピクセル間の素子の構造は、電気的理由（単一ピクセルの周りに電気的カードリングが必要）及び光学的理由（光混信を避けるためピクセル間に光絶縁が必要）の双方から、必然的にもっと複雑になる。
【００１４】
本発明のお陰で、現在の型の光検出器で出会う問題に遭遇することなく、詳細に言うと検出器外側の微小隔膜の使用を避けて、その寸法を電子的に制御することの出来る感知区域を与える高感度光検出素子を構築することが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴及び利点は、添付図面に非限定例として説明した本発明の実施例の下記詳細説明から明らかになるであろう。
【００１６】
図１及び２の斜視図に、既知技術にしたがうアバランシェダイオードの断面を示す。Ｐ型半導体のサブストレート１が下部で金属電極２に接続されている。電極６を設けたＮ＋型半導体の領域４が、サブストレート１の上部に置かれている。図１の中央には、領域４ほどは広くないＰ＋型領域３があって、領域４の縁部の電界強度を低くし縁部自体における破壊が避けられるようになっている。図２では、電気的ガードリングを構成するよう、領域４を囲み前記領域４より低いドーパント密度を有するＮ型領域７を用いて、同じ結果が得られる。電極６は陰極として、電極２は陽極として作用する。代わりに、半導体の前記領域のＰ極性とＮ極性を交換し、前記電極の陰極と陽極の機能を交換することが出来る。
【００１７】
図３に、本発明の第１実施例にしたがうアバランシェダイオードの断面斜視図を示す。図１及び２のアバランシェダイオードと異なり、領域４が、Ｐ＋型半導体領域３の部分１１、１２を用いて互いに分離された同心円環の形の小さいＮ＋型半導体領域８、９、１０に、分割されている。領域８、９、１０のそれぞれには、互いに別個の電極１３、１４、１５が接続されており、領域８、９、１０の各電極と電極２との間に加わるバイアス電圧を独立に制御することが出来るようになっている。
【００１８】
図４は、本発明の第２実施例にしたがうアバランシェダイオードの断面透視図を示す。これは、同心円環の形のＮ＋型半導体領域８、９、１０が、Ｐ型サブストレート１の部分１１、１２を用いて互いに分離されており、加えてガードリングを構成するよう領域４を囲み前記領域４より低いドーパント密度を有するＮ型領域７が存在するとの事実により図３と異なる。
【００１９】
図３に示すアバランシェダイオードの、主としてＮ＋型半導体領域の幾何学的形状に関する幾つかの変形を、図５及び６に示す。図５では、Ｎ＋型半導体領域が扇形になっており、図６には、アバランシェダイオードの可能な用途にしたがって同じ領域が取り得る各種の形、２つの同心環（ａ）、もっと多い同心環（ｂ）、４つの同等扇形（ｃ）、異なる扇形（ｄ）、円（ｅ）、同一寸法の円（ｆ）、帯（ｇ）を有するものを示す。Ｎ＋型半導体領域の幾何学的形状である前述の偏更を、図４に示す構造に関してもおこなうことが出来る。
【００２０】
本発明によればアバランシェダイオードの構造は、ＡＰＤ素子の場合及びＳＰＡＤ素子の場合の双方に適用が見出される。
【００２１】
ＡＰＤ素子は、バイアス電圧の値によって様々な値の内部利得を有する内部直線増幅を有するアバランシェダイオードである。事実、逆バイアス電圧をダイオードのアバランシェ破壊電圧のかなり下に保つと増倍が起こらないので、単一光子は単に集められるだけの電子正孔対を１つだけ生成する。したがって、このダイオードは光発生電流を増幅することなく、つまり、電流の単一増幅度で作用する。代わってバイアス電圧は破壊電圧に近いが、未だそれより低い値にすると、アバランシェ増倍現象が得られるので、単一光子が電子正孔対の連鎖発生を誘発し、これが一次光生成粒子による電流を増幅して、遙かに大きい電流をダイオードの出力に生じる。ダイオードはこうして、単体より遙かに高い電流増幅度を持って作用し、バイアス電圧が破壊電圧に近いが未だそれより低く止まる値に近づくにつれてこれが次第に増加する。
【００２２】
本発明にしたがうアバランシェダイオードの好適用途を代表するＳＰＡＤ素子は、バイアス電圧の値にしたがって、様々の作動モードを有する。事実、バイアス電圧がアバランシェ破壊電圧値のかなり下に止まると、増倍が起こらないので、単一光子は電子正孔対を１つだけ発生し、顕微鏡的電流パルスを生じる。このパルス電流を電子回路で検出することは出来ない。これは回路自体の雑音より遙かに小さいからである。バイアス電圧がアバランシェ破壊電圧より高いと、ＳＰＡＤダイオードはガイガーモードで作動し、ダイオードが吸収した単一光子は電子正孔対を発生する。これが自己持続性アバランシェ増倍の現象を誘発して、電子回路内の雑音よりかなり上の、相当なレベルの電流パルスを生じる。前記パルスは、容易に検出することが出来るので、工程及びパルスコンパレータ回路やパルス計数回路などの回路で使用される。
【００２３】
本発明によってアバランシェダイオードの構造は、光信号の検出のため新しい測定方法を可能にする。
【００２４】
光信号は、ダイオードの能動区域に衝突する。この区域は、図３及び４の素子場合、互いに分離したのＮ＋型半導体領域８、９、１０のアレーから構成されている。
【００２５】
これらＮ＋型半導体領域のうち、光信号の作用から遮蔽されたまま保たれなければならない規制領域と呼ばれる領域に対しては、アバランシェ増倍の現象が起こるのを防ぐのに充分なだけ低いバイアス電圧が加えられる。ＡＰＤ素子の場合、前記電圧は、信号の増幅を阻止するよう、破壊電圧より充分低くなければならない。ＳＰＡＤ素子の場合、前記電圧は、破壊電圧より低くなければならない。
【００２６】
代わりに、入射光信号に対し敏感でなければならない有効領域と呼ばれるＮ＋型半導体領域に対しては、出力電極２に対し接続された回路（可視できない）による信号の検出と処理が出来るに充分なだけ高い強度でアバランシェ増倍の現象が起こるのを保証するに充分な高さのバイアス電圧が加えられる。さらに詳しく言うと、ＡＰＤ素子の場合の前記電圧は、破壊電圧より低くて、高い電流利得を保証するため破壊電圧に充分近くなければならない。ＳＰＡＤ素子の場合の前記電圧は、破壊電圧より高くて、ダイオードがガイガーモードで作動するのを保証するのに充分でなければならない。
【００２７】
本素子の特性であって、ＡＰＤ又はＳＡＰＤアレー素子と差別するものは、すべての作動構成の中のものである、つまり、印加電圧の選択がどうであろうと、したがって有効領域の選択がどうであろうと、光検出素子の出力信号が同じ単一電極から与えられることである。出力電極に関する好適選択は、電極２の選択である。代替の選択は、Ｎ＋帯に接続された電極で素子の作動状態において常に有効なものである。これは使用される最低有効領域内に含まれるからである。この第２選択の非限定例としては、図３及び図４の素子において、能動区域の中央におかれた帯１０に接続された電極１５が、出力電極として採用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  既知技術にしたがってＡＰＤ又はＳＡＰＤ光検出器として使用されるアバランシェダイオードの断面斜視図を示す。
【図２】  図１と同様な、アバランシェダイオードの断面の斜視図である。
【図３】  本発明の第１実施例にしたがう光検出素子の断面斜視図を示す。
【図４】  本発明の第２実施例にしたがう光検出素子の断面斜視図を示す。
【図５】    本発明の第１実施例の変形にしたがう光検出素子の断面斜視図を示す。
【図６】    本発明にしたがう光検出素子の能動区域に可能な各種幾何的配置図を示す。
【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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