JP5385315B2 - 全波長帯の量子効率に優れた垂直構造のシリコン光電子増倍管 - Google Patents

Description

本発明はシリコン光電子増倍管に係り、特に、全波長帯の量子効率に優れた垂直構造のシリコン光電子増倍管に関する。

最近の光センサー分野において光電子増倍管（ＰＭＴ：Photomultipler）を代替するために講じられたシリコン光電子増倍管（Silicon Photomultipler；ＳｉＰＭ）は、既存の光電子増倍管（ＰＭＴ）に比べて極めて小型であり、動作電圧が極めて低い他（２５〜１００Ｖ）、磁場に影響されないといった大きなメリットを有しているとはいえ、紫外線（２００〜４００nm）波長帯の光においては量子効率が１０％以下と極めて低いという不都合があるため、全波長帯（２００〜９００nm）に亘って量子効率を極大化させるための研究が盛んになされている。

図１は、通常のシリコン光電子増倍管の断面図である。シリコン光電子増倍管１００は、図１に示すように、基板に５μm以下の層厚に形成されたエピタキシ層１３０内に順にＰ^＋イオンとＮ^＋イオンを注入してＰＮ接合層１２０を形成し、ここに高い電場が形成されるようにする。このとき、注入された光（光子）により生成された電子−正孔対が電場により加速されつつアバランシェ放電を形成して信号が増幅されて出てくる。しかしながら、ＰＮ接合層１２０が基板とは水平に形成されるため、電場が基板１４０の底面側に垂直に形成されるため、紫外線３０波長領域帯の光はエピタキシ層１３０内のＰＮ接合層１２０まで投入される確率が低くて量子効率が下がってしまう。なお、光が入射して反応をするエピタキシ層１３０の層厚が約５μmであるため、赤外線２０のようにシリコン層を深く透過する光もまた反応確率が下がって量子効率が下がるといった不都合がある。

本発明は、既存に提案されている方法の上述の如き不都合を解消するために提案されたものであり、全波長帯の量子効率に優れた垂直構造のシリコン光電子増倍管を提供することをその目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る垂直構造のシリコン光電子増倍管は、ガイガーモードで動作する多数のマイクロピクセルと、前記マイクロピクセルの周りに配設されるトレンチ電極と、前記マイクロピクセル及び前記トレンチ電極が載置されるとともに、外部につながるように部分的に開放された状態の基板と、を備えて、前記トレンチ電極と前記マイクロピクセルとの間に逆バイアスを加えることにより電場が水平に形成されることをその構成上の特徴とする。

また、好ましくは、前記マイクロピクセルは、ｐ型伝導性のエピタキシ層と、前記エピタキシ層の内部に垂直に形成されるＰＮ接合層と、を備えていてもよい。

さらに、好ましくは、前記ＰＮ接合層は、ｐ型伝導層と、前記ｐ型伝導層の外側に配設されるｎ^＋型伝導層と、を備えていてもよい。

さらに、好ましくは、前記ＰＮ接合層は、前記ｎ^＋型伝導層の層厚が前記ｐ型伝導層の層厚よりも２μm厚くてもよい。

さらに、好ましくは、前記ＰＮ接合層は、一字状構造、Ｕ字状構造及びＶ字状構造よりなる群から選ばれるいずれか１種の構造に形成されてもよい。

さらに、好ましくは、前記ＰＮ接合層は、層高が１０μmであってもよい。

さらに、好ましくは、前記トレンチ電極は、金属を蒸着してなってもよい。

さらに、好ましくは、前記トレンチ電極は、前記マイクロピクセルの周りにおける正方形の周縁部、正方形の角部及び六角形の角部よりなる群から選ばれるいずれかの個所に配設されてもよい。

さらに、好ましくは、前記トレンチ電極は、層高が１０〜１３μmであってもよい。

本発明において提案している構成によれば全波長帯（２００〜９００nm）に亘って量子効率を極大化させることができる。

通常のシリコン光電子増倍管の断面図。 シリコン光電子増倍管のエピタキシ層内の電場分布図。 本発明の一実施形態によるシリコン光電子増倍管を構成するマイクロピクセルの断面図。 本発明の他の実施形態による垂直構造のシリコン光電子増倍管を構成するマイクロピクセルの断面図。 本発明のさらに他の実施形態による垂直構造のシリコン光電子増倍管を構成するマイクロピクセルの断面図。 本発明の一実施形態による垂直構造のシリコン光電子増倍管を構成するトレンチ電極の配置を示す図。 本発明の他の実施形態による垂直構造のシリコン光電子増倍管を構成するトレンチ電極の配置を示す図。 本発明のさらに他の実施形態による垂直構造のシリコン光電子増倍管を構成するトレンチ電極の配置を示す図。

以下、添付図面に基づき、本発明が属する技術分野において通常の知識を持った者が本発明を容易に実施できるように好適な実施形態を詳細に説明する。但し、本発明の好適な実施形態を詳細に説明するに当たって、関連する公知機能または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を余計に曖昧にする恐れがあると認められる場合には、その詳細な説明を省く。なお、類似する機能及び作用をする部分に対しては、図面の全体に亘って同じまたは類似する符号を付するものとする。

加えて、明細書の全体に亘って、ある部分や他の部分に「つながって」いるとしたとき、これは、「直接的につながって」いる場合だけではなく、それらの間に他の素子を介して「間接的につながって」いる場合をも含む。なお、ある構成要素を「含む」とは、特に断わりのない限り、他の構成要素を排除するのではなく、他の構成要素をさらに含んでいてもよいということを意味する。

以下、添付図面に基づき、本発明による実施形態について詳述する。

シリコン光電子増倍管は, 約千個から数百個のマイクロピクセルよりなる半導体光ダイオードである。シリコン光電子増倍管の増幅率（ゲイン）は１０^６であり、既存の光電子増倍管（ＰＭＴ）とほとんど同じ増幅率を示す。シリコン光電子増倍管のマイクロピクセルのサイズは１０〜１００μmであり、１mm²の面積当たりに１００〜１０００個が集積される。シリコン光電子増倍管のマイクロピクセルは共通の印加電圧とそれぞれの焼入れ抵抗として働き、出力信号は全てのマイクロピクセル信号の和となる。

図２は、シリコン光電子増倍管のエピタキシ層内の電場分布図である。シリコン光電子増倍管１００は、電圧をかけたとき、図２に示すように、基板１４０から数μmの深さＸに弱い電場をかけることにより電荷の偏流領域を形成し、ＰＮ接合層１２０、すなわち、ｐ^＋層とｎ^＋層との間には極めて強い電場Ｅが発生するようにして浅い空乏領域を生成して、ここで動作電圧のときにガイガーモード放電を生成する。センサーのマイクロピクセル１１０内に光が入射すると、光子は電場が高くかかっていた空乏領域内において電子事態、すなわち、放電を発生する。このとき、一つの光子により得られる電流の増幅率が１０^６である。

図３は、本発明の一実施形態によるシリコン光電子増倍管を構成するマイクロピクセルの断面図である。本発明の一実施形態による全波長帯の量子効率に優れた垂直構造のシリコン光電子増倍管１００は、図３に示すように、ガイガーモードで動作する多数のマイクロピクセル６００と、マイクロピクセル６００の周りに配設されるトレンチ電極５００（図５参照）と、マイクロピクセル６００及びトレンチ電極５００が載置されるとともに、外部につながるように部分的に開放された状態の基板２００と、を備えて、トレンチ電極５００とマイクロピクセル６００との間に逆バイアスを加えることにより電場が水平に形成できるようにする。マイクロピクセル６００とトレンチ電極５００が外部につながるように部分的に開放された基板２００に、マイクロピクセル６００と該マイクロピクセル６００の周りにトレンチ電極５００を配設することにより、光を照射する場合、マイクロピクセル６００とトレンチ電極５００との間に形成された電場により電子−正孔対が形成されてアバランシェ放電が発生することになる。既存のシリコン光電子増倍管において水平に形成されたＰＮ接合層１２０の深さまで入射できない紫外線３０も表面に浅く入射さえすれば、マイクロピクセル６００とトレンチ電極５００との間に形成された電場に反応するため、紫外線３０から赤外線２０まで全波長帯の光が入射するとしても反応して量子効率を高めることが可能になる。

マイクロピクセル６００は、図３に示すように、ｐ型伝導性のエピタキシ層３００と、エピタキシ層３００の内部に概ね垂直方向に形成されるＰＮ接合層４００と、を備えていてもよい。より具体的には、１のマイクロピクセル６００は、その中央部と周辺部とにそれぞれ一対の電極となるカソード電極Ｊ及びアノード電極Ｔを備えており、本発明ではアノード電極Ｊがトレンチ電極５００を構成している。図３では、カソード電極Ｊは例えば三角錐状、三角柱状に形成されており、カソード電極Ｊの表面を覆うようにＰＮ接合層４００が形成されている。ＰＮ接合層４００が形成されたカソード電極Ｊとトレンチ電極５００との間にはエピタキシ層３００が形成されている。
このような構成により、光が入射して反応をする領域となるエピタキシ層３００内に垂直構造を有するＰＮ接合層４００を形成して電場を生成することが可能になる。なお、トレンチ電極５００及び垂直方向に形成されたＰＮ接合層４００を備えて、これらの間に逆バイアスを加えて電場が水平に形成されるようにすることにより、紫外線３０がＰＮ接合層４００まで入射することなく表面に浅く入射する場合でもトレンチ電極５００とＰＮ接合層４００との間に形成された電場により電子−正孔対が形成されてアバランシェ放電が発生するようにし、且つ、赤外線２０が深く入射する場合でもＰＮ接合層４００の電場に反応することにより全波長帯（２００〜９００nm）に亘って量子効率を高めることができる。

ＰＮ接合層４００は、図３に示すように、ｐ型伝導層４２０と、ｐ型伝導層の外側に配設されるｎ^＋型伝導層４１０と、を備えていてもよい。ＰＮ接合層４００は、ｐ型伝導層４２０と外側のｎ^＋型伝導層４１０を備えて、ｐ型伝導層４２０とｎ^＋型伝導層４１０と間に極めて強い電場が発生するようにして、薄い空乏領域を生成し、ここで動作電圧のときにガイガーモード放電を生成することができる。

ＰＮ接合層４００は、図３に示すように、ｎ^＋型伝導層４１０の層厚がｐ型伝導層４２０の層厚よりも２μm程度厚くても良い。ＰＮ接合層４００を形成するとき、ｎ^＋型伝導層４１０の領域をｐ型伝導層４２０の領域よりも約２μm厚く形成することにより、センサー内のノイズを低減することができる。

図４は、本発明の他の実施形態による垂直構造のシリコン光電子増倍管を構成するマイクロピクセルの断面図であり、図５は、本発明のさらに他の実施形態による垂直構造のシリコン光電子増倍管を構成するマイクロピクセルの断面図である。ＰＮ接合層４００は、図３から図５に示すように、Ｖ字状構造４００、コの字状構造４００’及びＵ字状構造４００’’、その他一の字状の構造などよりなる群から選ばれるいずれか１種の構造に形成可能である。ＰＮ接合層４００をマイクロピクセル６００のエピタキシ層３００の内部にＶ字状構造４００、コの字状構造４００’、Ｕ字状構造４００’’などの垂直構造に形成する場合、ＰＮ接合層４００とトレンチ電極５００との間に電場を形成することができると共に、ＰＮ接合層４００がＶ字状構造４００、Ｕ字状構造４００’’などの斜線状に形成されれば、可視光線１０、赤外線２０、紫外線３０などのように光が入射する深さに違いがあってもＰＮ接合層４００に達することができて量子効率を高める役割を果たすことができる。ＰＮ接合層４００は、エピタキシ層３００内に垂直に一の字の縦状構造、Ｕ字状構造またはＶ字状構造のトレンチをエッチングした後、トレンチの側面にＰＮ接合層４００を形成するような方法により形成可能である。

ＰＮ接合層４００は、図３から図５に示すように、層高、つまり基板の高さ方向のＰＮ接合層４００の高さが１０μmであってもよい。ＰＮ接合層４００の層高を約１０μmに形成した場合、赤外線２０まで全て吸収することができる 。赤外線２０がシリコンに深く入射しても１０μmの深さに形成されたＰＮ接合層４００の電場に反応することができる。

トレンチ電極５００は、図３から図５に示すように、金属を蒸着してなってもよい。垂直構造のＰＮ接合層４００の周りにトレンチを周設し、トレンチの内部に金属を蒸着してトレンチ電極５００を形成する。１０μmの層厚を有する垂直構造のＰＮ接合層４００の周りにトレンチを形成し、ここに金属を蒸着し、トレンチ電極５００と垂直構造のＰＮ接合層４００との間に逆バイアスを加えることにより、電場が水平に形成されるような構造にする。これにより、光が浅く入射しても、あるいは、深く入射しても、水平に形成された電場に反応することができる。

図６は、本発明の一実施形態による垂直構造のシリコン光電子増倍管を構成するトレンチ電極の配置を示す図であり、図７は、本発明の他の実施形態による垂直構造のシリコン光電子増倍管を構成するトレンチ電極の配置を示す図であり、図８は、本発明のさらに他の実施形態による垂直構造のシリコン光電子増倍管を構成するトレンチ電極の配置を示す図である。トレンチ電極５００は、図６から図８に示すように、マイクロピクセル６００の周りにおける正方形の周縁部、正方形の角部及び六角形の角部よりなる群から選ばれるいずれかの個所に配設可能である。トレンチ電極５００は、ＰＮ接合層４００が埋め込まれているマイクロピクセル６００の周りに配設されて、垂直に形成されたＰＮ接合層４００との間に逆バイアスを加えることにより電場を水平に形成する役割を果たすことができる。図６に示すように、マイクロピクセル６００の周りに正方形にトレンチを周設してトレンチの内部に金属を蒸着することによりトレンチ電極５００を形成することができる。あるいは、図７に示すように、マイクロピクセル６００の周りにおける正方形の角部にのみトレンチを形成してトレンチの内部に金属を蒸着することにより、トレンチ電極５００を形成してもよく、図８に示すように、マイクロピクセル６００の周りにおける六角形の角部にのみトレンチを形成してトレンチの内部に金属を蒸着することにより、トレンチ電極５００を形成してもよい。トレンチ電極５００はマイクロピクセル６００の周りに配設される形状に応じて、印加電圧とＰＮ接合層４００とトレンチ電極５００との間に形成される電場の強度または形状などを調節することができる。

トレンチ電極５００は、図６から図８に示すように、層高が１０〜１３μmであってもよい。光が入射して反応をする領域となるエピタキシ層３００内に１０μmの深さの垂直構造を有するＰＮ接合層４００を形成し、その周りに１０〜１３μmの深さの電極トレンチ電極５００を形成して、ＰＮ接合層４００とトレンチ電極５００との間に逆バイアスをかけると電場が形成されるような構造を形成する。トレンチ電極５００の層高をＰＮ接合層４００と同様に約１０μmにするか、あるいは、これよりも高い約１３μmにする場合、ＰＮ接合層４００とトレンチ電極５００との間に逆バイアスを加えると電場が水平に且つ一様に形成される。
上記構成により、トレンチ電極及び垂直に形成されたＰＮ接合層を備え、これらの間に逆バイアスを加えて電場が水平に形成されるようにすることにより、紫外線がＰＮ接合層まで入射することなく表面に浅く入射してもトレンチ電極とＰＮ接合層との間に形成された電場により電子−正孔対が形成されてアバランシェ放電が発生するようにし、且つ、赤外線が深く入射してもＰＮ接合層の電場に反応することにより全波長帯（２００〜９００nm）に亘って量子効率を極大化させることのできる、全波長帯の量子効率に優れた垂直構造のシリコン光電子増倍管を提供することができる。

以上述べたように、本発明は、本発明が属する技術分野において通常の知識を持った者によって種々に変形または応用可能であり、本発明による技術的思想の範囲は特許請求の範囲によって定められるべきである。

１０：可視光線、
２０：赤外線、
３０：紫外線、
１００：シリコン光電子増倍管、
１１０：マイクロピクセル、
１２０：ＰＮ接合層、
１３０：エピタキシ層、
１４０：基板、
２００：基板、
３００：エピタキシ層、
４００：ＰＮ接合層、
４１０：ｎ＋型伝導層、
４２０：ｐ型伝導層、
５００：トレンチ電極、
６００：マイクロピクセル、

Claims (9)

1. 垂直構造のシリコン光電子増倍管であって、
   ガイガーモードで動作する多数のマイクロピクセルと、
   前記マイクロピクセルの周りに配設されるトレンチ電極と、
   前記トレンチ電極と対となる対向電極と、
   前記マイクロピクセル、前記対向電極及び前記トレンチ電極が載置されると共に、外部につながるように部分的に開放された状態の基板と、
   を備えて、
   前記マイクロピクセルは、
   ｐ型伝導性のエピタキシ層と、
   前記エピタキシ層の内部に垂直に形成され、前記対向電極の表面に沿ったＰＮ接合層と、
   を有し、
   前記トレンチ電極と前記マイクロピクセルとの間に逆バイアスを加えることにより電場が水平に形成されることを特徴とする、垂直構造のシリコン光電子増倍管。
2. 前記対向電極は前記基板と垂直な方向に対して斜面を有しており、
   光の入射面から前記斜面に沿って形成されたＰＮ接合層までの深さが前記斜面に沿って異なる、請求項１に記載の垂直構造のシリコン光電子増倍管。
3. 前記ＰＮ接合層は、
   ｐ型伝導層と、
   前記ｐ型伝導層の外側に配設されるｎ＋型伝導層と、
   を備えることを特徴とする、請求項２に記載の垂直構造のシリコン光電子増倍管。
4. 前記ＰＮ接合層は、
   前記ｎ＋型伝導層の層厚が前記ｐ型伝導層の層厚よりも２μm厚いことを特徴とする、請求項３に記載の垂直構造のシリコン光電子増倍管。
5. 前記ＰＮ接合層は、
   一字状構造、Ｕ字状構造及びＶ字状構造よりなる群から選ばれるいずれか一種の構造に形成されることを特徴とする、請求項２に記載の垂直構造のシリコン光電子増倍管。
6. 前記ＰＮ接合層は、
   層高が１０μmであることを特徴とする、請求項２に記載の垂直構造のシリコン光電子増倍管。
7. 前記トレンチ電極は、
   金属を蒸着してなることを特徴とする、請求項１に記載の垂直構造のシリコン光電子増倍管。
8. 前記トレンチ電極は、
   前記マイクロピクセルの周りにおける正方形の周縁部、正方形の角部及び六角形の角部よりなる群から選ばれるいずれかの個所に配設されることを特徴とする、請求項１に記載の垂直構造のシリコン光電子増倍管。
9. 前記トレンチ電極は、
   層高が１０〜１３μmであることを特徴とする、請求項１に記載の垂直構造のシリコン光電子増倍管。

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