光检测元件制造技术

本发明专利技术涉及光检测元件。基于本申请的某实施方式的光检测元件具备：光电转换结构，其含有对于单晶硅显示吸收的波长区域中包含的第1波长的光具有比单晶硅高的吸收系数的第1材料，且通过吸收光子而生成正及负的电荷；和雪崩结构，其包含通过由上述光电转换结构注入选自由上述正及负的电荷组成的组中的至少一者而在内部产生雪崩增倍的单晶硅层。上述第1材料包含选自由有机半导体、半导体型碳纳米管及半导体量子点组成的组中的至少1者。

Optical detection element

The present invention relates to an optical detection element. An optical detection element based on an embodiment of the present application has a photoelectric conversion structure comprising a first material having a higher absorption coefficient than that of monocrystalline silicon for the first wavelength of light contained in the wavelength region of the monocrystalline silicon display absorption, and generating positive and negative charges by absorbing photons; and an avalanche structure comprising an injection of the above photoelectric conversion structure to select the above-mentioned positive. At least one of the groups of negative charges produces an avalanche-doubled monocrystalline silicon layer inside. The first material comprises at least one of a group of selected free organic semiconductors, semiconductor carbon nanotubes and semiconductor quantum dots.

【技术实现步骤摘要】
光检测元件
本申请涉及光检测元件。
技术介绍
作为高感度的光检测元件，已知有雪崩光电二极管。雪崩光电二极管包含在工作时被施加高电场的增倍区域，利用该增倍区域中的雪崩效应，使通过光电转换而生成的电荷增倍。日本特开2005-32843号公报公开了作为红外线通信用的受光元件的雪崩光电二极管。日本特开2005-32843号公报中公开的雪崩光电二极管包含InGaAs的光吸收层作为光电转换层。Z.Huang等、"25Gbpslow-voltagewaveguideSi-Geavalanchephotodiode"、Optica、2016年7月、vol.3、No.8、pp.793-798(以下记为非专利文献1)公开了一种Si-Ge雪崩光电二极管，其在作为增倍层的单晶硅层上形成有光吸收层及作为导波路发挥功能的单晶锗层。此外，雪崩光电二极管除了作为分立设备的利用以外，还研究了在利用集成化的图像传感器中的应用。日本特开2012-119371号公报提出了雪崩效应在放射线摄影用的直接转换平板探测器中的利用。日本特开2012-119371号公报的图1公开了具有以非晶Se作为主要成分的与光电转换层相邻地配置的雪崩层的放射线检测器。日本特开2012-119371号公报的放射线检测器提供与透过被摄体的放射线有关的强度图像。
技术实现思路
本申请的一方式的光检测元件具备：光电转换结构，其含有对于单晶硅显示吸收的波长区域中包含的第1波长的光具有比单晶硅高的吸收系数的第1材料，且通过吸收光子而生成正及负的电荷；和雪崩结构，其包含通过由上述光电转换结构注入选自由上述正及负的电荷组成的组中的至少一者而在内部产生雪崩增倍的单晶硅层。上述第1材料包含选自由有机半导体、半导体型碳纳米管及半导体量子点组成的组中的至少1者。综合或具体的方式可以以元件、设备、装置、系统、集成电路或方法来实现。此外，综合或具体的方式也可以通过元件、设备、装置、系统、集成电路及方法的任意的组合来实现。所公开的实施方式的追加的效果及优点由说明书及附图变得明白。效果和/或优点通过说明书及附图中公开的各种实施方式或特征而各自提供，为了得到上述效果及优点中的1个以上并不需要满足全部。附图说明图1是表示基于第1实施方式的光检测元件的例示性设备结构的图。图2是表示基于第2实施方式的光检测元件的例示性设备结构的图。图3是表示沿着Z轴看图2中所示的光检测元件时的外观的例子的俯视图。图4是表示一般的雪崩光电二极管的电流-电压特性的图。图5是表示基于第2实施方式的光检测元件的变形例的设备结构的图。图6是表示基于第2实施方式的光检测元件的另一个变形例的设备结构的图。图7是表示基于第3实施方式的光检测元件的例示性设备结构的图。图8是表示基于第3实施方式的光检测元件的变形例的设备结构的图。图9是表示在光电转换结构与雪崩结构之间具有电荷输送层的光检测元件的设备结构的一个例子的图。图10是表示在光电转换结构与雪崩结构之间具有电荷输送层的光检测元件的设备结构的另一个例子的图。图11是表示基于第3实施方式的光检测元件的另一个变形例的设备结构的图。图12是表示又一个变形例的设备结构的图。图13是表示一般的PIN型的硅雪崩光电二极管的设备结构的示意性截面图。图14是表示一般的拉通型的硅雪崩光电二极管的设备结构的示意性截面图。图15是表示基于第4实施方式的光检测元件的例示性设备结构的图。符号的说明100A、100B、100C、100D、100E、100F、100G、100H、100I光检测元件110光电转换结构112电荷输送层112e第1电荷输送层112h第2电荷输送层120雪崩结构125凹部130A、130B第1电极140第2电极150、150a、150b电介体部160第3电极190电压供给电路192淬灭电路194复位电路具体实施方式(成为本申请的基础的见解)通过电荷增倍功能，雪崩光电二极管即使对于微弱的光的入射也能够得到高的信号水平。然而，已知在雪崩光电二极管中，可在其结构内捕捉到电荷。在结构内捕捉到电荷的要因是起因于晶体缺陷、晶界或杂质等的能级的存在。这样的能级也被称为陷阱。在结构内捕捉到的电荷通过时间的经过，以一定概率被放出。在经过一定时间后由陷阱放出的电荷与在由陷阱放出的时刻在该部位通过光电转换而生成的电荷无法进行区别。因此，若在结构内被捕捉且在经过一定时间后被放出的电荷移动至增倍区域中，则在比光的入射延迟的时机产生电荷的增倍。使雪崩光电二极管以线性模式工作时，若在结构内捕捉到的电荷在经过一定时间后被放出，则由雪崩光电二极管在比本来的光的入射时刻延迟的时刻输出衰减后的信号。比本来延迟而输出的这样的信号成为使雪崩光电二极管的SN比下降的要因。例如，在通过将雪崩光电二极管集成而构成图像传感器的情况下，延迟输出的信号会作为余像出现在图像中。此外，在使雪崩光电二极管以盖革模式工作时，若由陷阱放出的电荷移动至增倍区域中，则以电荷向增倍区域的注入作为契机而产生增倍，在与本来的光的入射不同的时机观测到输出脉冲。该输出脉冲为与通过光的入射而产生的本来的输出脉冲无法区别的假的信号。起因于在结构内捕捉到的电荷向雪崩区域的移动的这样的假的信号被称为余脉冲。在盖革模式中由于即使是单一光子的入射也可产生向雪崩击穿状态的迁移，所以若能够降低电荷向结构内的捕捉，则是有益的。本申请提供利用雪崩效应且降低了噪音的高感度的光检测元件。根据本申请的非限定性某例示的实施方式，提供以下内容。[项目1]本申请的一方式的光检测元件，其具备以下结构：光电转换结构，其含有对于单晶硅显示吸收的波长区域中包含的第1波长的光具有比单晶硅高的吸收系数的第1材料，且通过吸收光子而生成正及负的电荷；和雪崩结构，其包含通过由上述光电转换结构注入选自由上述正及负的电荷组成的组中的至少一者而在内部产生雪崩增倍的单晶硅层。上述第1材料包含选自由有机半导体、半导体型碳纳米管及半导体量子点组成的组中的至少1者。根据项目1的构成，可提供能够抑制电荷向雪崩结构中的捕捉、余像及余脉冲的产生得到抑制的高感度的光检测元件。根据项目1的构成，由于将在含有第1材料的光电转换结构中生成的电荷利用于增倍，所以想要检测的光的波长的设计的自由度提高。[项目2]在项目1所述的光检测元件中，上述光电转换结构也可以与上述雪崩结构直接相接。[项目3]项目1所述的光检测元件也可以进一步具备：电荷输送层，其配置于上述光电转换结构及上述雪崩结构之间，且使选自由在上述光电转换结构中生成的上述正及负的电荷组成的组中的至少一者通过。根据项目3的构成，还能够使在光电转换结构中生成的正及负的电荷中的一者选择性地移动至雪崩结构中。[项目4]在项目1到3中任一项所述的光检测元件中，也可以进一步具备：第1电极、和第2电极，上述雪崩结构包含：第1导电型的第1高浓度掺杂区域、第2导电型的第2高浓度掺杂区域、和配置于上述第1高浓度掺杂区域及上述第2高浓度掺杂区域之间的低浓度掺杂区域，上述低浓度掺杂区域的杂质浓度比上述第1高浓度掺杂区域的杂质浓度及上述第2高浓度掺杂区域的杂质浓度低，上述第1电极与上述第1高浓度掺杂区域电连接，上述第2电极与上述第2高浓度掺杂区域电连接。在项目4所述的光检测元件中，上述雪崩结构也可以进一步包含本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光检测元件，其具备：光电转换结构，其含有对于单晶硅显示吸收的波长区域中包含的第1波长的光具有比单晶硅高的吸收系数的第1材料，且通过吸收光子而生成正及负的电荷；和雪崩结构，其包含通过由所述光电转换结构注入选自由所述正及负的电荷组成的组中的至少一者而在内部产生雪崩增倍的单晶硅层，所述第1材料包含选自由有机半导体、半导体型碳纳米管及半导体量子点组成的组中的至少1者。

【技术特征摘要】
2017.06.23 JP 2017-1232101.一种光检测元件，其具备：光电转换结构，其含有对于单晶硅显示吸收的波长区域中包含的第1波长的光具有比单晶硅高的吸收系数的第1材料，且通过吸收光子而生成正及负的电荷；和雪崩结构，其包含通过由所述光电转换结构注入选自由所述正及负的电荷组成的组中的至少一者而在内部产生雪崩增倍的单晶硅层，所述第1材料包含选自由有机半导体、半导体型碳纳米管及半导体量子点组成的组中的至少1者。2.根据权利要求1所述的光检测元件，其中，所述光电转换结构与所述雪崩结构直接相接。3.根据权利要求1所述的光检测元件，其进一步具备配置于所述光电转换结构及所述雪崩结构之间、且使选自由在所述光电转换结构中生成的所述正及负的电荷组成的组中的至少一者通过的电荷输送层。4.根据权利要求1所述的光检测元件，其进一步具备：第1电极、和第2电极，所述雪崩结构包含：第1导电型的第1高浓度掺杂区域、第2导电型的第2高浓度掺杂区域、和配置于所述第1高浓度掺杂区域及所述第2高浓度掺杂区域之间的低浓度掺杂区域，所述低浓度掺杂区域的杂质浓度比所述第1高浓度掺杂区域的杂质浓度及所述第2高浓度掺杂区域的杂质浓度低，所述第1电极与所述第1高浓度掺杂区域电连接，所述第2电极与所述第2高浓度掺杂区域电连接。5.根据权利要求1所述的光检测元件，其进一步具备：第1电极、和第2电极，在与所述雪崩结构的表面垂直的截面中，若将从所述雪崩结构内的任意的点延伸至所述第1电极内的与所述任意的点最近的点的假想的直线定义为第1直线，将从所述任意的点延伸至所述第2电极内的与所述任意的点最近的点的假想的直线定义为第2直线，则从所述雪崩结构内的任一点延伸的所述第1直线及所述第2直线均不将所述光电转换结构横切。6.根据权利要求5所述的光检测元件，其进一步具备：相对于所述光电转换结构位于与所述雪崩结构相反侧的第3电极；和对选自由所述第1电极、所述第2电极及所述第3电极组成的组中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：能泽克弥，
申请(专利权)人：松下知识产权经营株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP