光电二极管阵列、基准电压决定方法及推荐动作电压决定方法

摘要

本发明提供光电二极管阵列、基准电压决定方法及推荐动作电压决定方法。对光电二极管阵列施加反偏电压，该光电二极管阵列具备：以盖格模式动作的多个雪崩光电二极管；及相对于各雪崩光电二极管串联连接的降压电阻。使施加的反偏电压变化而测定电流，并将所测定的电流的变化中的拐点处的反偏电压作为基准电压而决定。将对所决定的基准电压加上规定的值而得到的电压作为推荐动作电压而决定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光电二极管阵列、决定施加于该光电二极管阵列 的反偏电压的推荐动作电压的推荐动作电压决定方法、及决定用于决 定该推荐动作电压的基准电压的基准电压决定方法。

背景技术

已知有包含以盖格模式动作的多个雪崩光电二极管、及相对于各 个雪崩光电二极管而串联连接的降压电阻（quenching resistor）的光电 二极管阵列(例如，参照专利文献1)。该种光电二极管阵列也如专利文 献1中所记载的那样用于光子计数用光半导体元件「MPPC」(注册商 标)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2008-153311号公报

非专利文献1：“MPPC(注册商标)Multi-Pixel Photon Counter技术 资料(2009年5月)”，浜松光子学株式会社

发明内容

发明所要解决的问题

如非专利文献1中所记载的那样，在上述光电二极管阵列中，以 可获得所期望的增益(倍增率)的方式决定施加于光电二极管阵列的反 偏电压的推荐动作电压。一般情况下，推荐动作电压的决定由以下方 法进行。

上述光电二极管阵列的倍增率可根据光电二极管阵列检测光子时 的输出电荷量算出。该倍增率根据施加于光电二极管阵列的反偏电压 而变化。因此，求出根据输出电荷量算出的倍增率成为所期望的值时 的反偏电压，并将该反偏电压作为推荐动作电压而决定。

此外，倍增率以如下方式测定。将放大器(例如电荷放大器等)连接 于上述光电二极管阵列，自来自放大器的输出而取得输出电荷量的频 数分布。输出电荷量的频数分布由绘制每单位时间的累计电荷量的分 布而获得。在输出电荷量的频数分布中分离地出现多个峰值，相邻的 峰值之间隔与检测1个光子的输出电荷量相当。因此，可根据相邻的 峰值之间隔而算出倍增率。

然而，上述倍增率的测定方法具有如下所述的问题。

由于上述光电二极管阵列为固体元件，故而会产生因热产生的暗 电流的载流子所引起的噪声(暗噪声)。尤其，在上述光电二极管阵列中， 由于暗噪声被倍增并且无规则地产生，故而难以区分暗噪声与光子的 检测信号。即，难以区分暗噪声的产生频率(暗计数)与检测规定数的光 子的频率。因此，在输出电荷量的频数分布中，峰值难于分离地出现， 从而难以算出倍增率本身。尤其，在谋求光电二极管阵列的大面积化 的情况下，由于暗计数增加，故而倍增率的测定较为困难的问题更加 显著。

将放大器连接于光电二极管阵列而将来自光电二极管阵列的输出 放大。因此，测定结果较大地受到放大器的特性偏差的影响，故精度 良好地算出倍增率较为困难。

因此，在上述推荐动作电压的决定方法中，由于基于从输出电荷 量算出的倍增率而决定推荐动作电压，故而难以精度良好且容易地决 定推荐动作电压。

本发明的目的在于提供一种可容易且精度良好地决定施加于光电 二极管阵列的反偏电压的推荐动作电压及用以决定该推荐动作电压的 基准电压的基准电压决定方法及推荐动作电压决定方法、及设定有根 据推荐动作电压而决定的倍增率的光电二极管阵列。

解决问题的技术手段

本发明者等人进行调査研究的结果而新发现如下所述的事实。

若对排列有以盖格模式动作的多个雪崩光电二极管并具备一端电 连接于多个雪崩光电二极管的各个的降压电阻的光电二极管阵列施加 反偏电压，且使该反偏电压变化的情况下，电流-电压特性如下变化。 即，在反偏电压成为击穿电压以上之后进入至盖格区域，当雪崩光电 二极管开始向盖格模式转移时电流值上升。而且，在使最多的雪崩光 电二极管转移至盖格模式的反偏电压，电流相对于反偏电压的变化中 出现拐点。这些原因在于多个雪崩光电二极管并列连接的结构、及降 压电阻串联连接于各雪崩光电二极管的结构。因此，通过将该拐点的 反偏电压设为基准电压，且根据该基准电压设定推荐动作电压，从而 可容易且精度良好地决定该推荐动作电压。

基于该事实，本发明的基准电压决定方法，是决定用于决定施加 于光电二极管阵列的反偏电压的推荐动作电压的基准电压的基准电压 决定方法，该光电二极管阵列具备：以盖格模式动作的多个雪崩光电 二极管；及相对于各个雪崩光电二极管串联连接的降压电阻；且使施 加于光电二极管阵列的反偏电压变化而测定电流，并将所测定的电流 的变化中的拐点处的反偏电压作为基准电压而决定。

在本发明的基准电压决定方法中，将所测定的电流的变化中的拐 点处的反偏电压作为基准电压而决定。由此，难以受到暗噪声的影响 并可精度良好地决定基准电压。在本发明中，施加反偏电压，并测定 相对于反偏电压的变化的电流的变化，由此求出该变化的拐点。因此， 可容易地决定基准电压。

也可将所测定的电流的一次微分成为峰值的反偏电压作为基准电 压而决定。另外，也可将所测定的电流的二次微分成为零的反偏电压 作为基准电压而决定。在任一情况下，均可确实地求出电流的变化中 的拐点。

此外，光电二极管阵列的倍增率M以下述关系式表示。

M=C×ΔV

C为各雪崩光电二极管的结电容。ΔV为最多的雪崩光电二极管转 移至盖格模式的反偏电压、即与基准电压的电位差。因此，若推荐动 作电压与基准电压的差已决定，则唯一性地决定倍增率M。反之，为 获得所期望的倍增率M，只要对基准电压加上满足上述关系式的ΔV 即可。

本发明的推荐动作电压决定方法，是决定施加于光电二极管阵列 的反偏电压的推荐动作电压的推荐动作电压决定方法，该光电二极管 阵列具备：以盖格模式动作的多个雪崩光电二极管；及相对于各个雪 崩光电二极管串联连接的降压电阻；且将对以上述的基准电压决定方 法所决定的基准电压加上规定的值而得到的电压作为推荐动作电压呃 决定。

在本发明的推荐动作电压决定方法中，将对以上述基准电压决定 方法决定的基准电压加上规定的值而得到的电压作为推荐动作电压而 决定。由此，难以受到暗噪声的影响而可精度良好地决定推荐动作电 压，并且可容易地决定推荐动作电压。

本发明者等人进行调查研究的结果，亦新发现如下所述的事实。

在电流-电压特性中，在最多的雪崩光电二极管转移至盖格模式的 反偏电压下，电流的变化中出现拐点。若使反偏电压进一步增大，则 存在电流因后脉冲（after-pulse）等的影响而飞跃性地增大的区域。此 时会出现新拐点。这些拐点为使反偏电压增大时自下凸变成上凸的拐 点。因此，通过将电流相对于反偏电压的变化中的上述两个拐点之间 的曲线部分的反偏电压设定为推荐动作电压，而可容易且精度良好地 决定该推荐动作电压。

根据该事实，本发明的推荐动作电压决定方法，是决定施加于光 电二极管阵列的反偏电压的推荐动作电压的推荐动作电压决定方法， 该光电二极管阵列基板：以盖格模式动作的多个雪崩光电二极管；及 相对于各个上述雪崩光电二极管串联连接的降压电阻；且使施加于光 电二极管阵列的反偏电压变化呃测定电流，并将所测定的电流的变化 中、自下凸变成上凸的两个拐点之间的曲线部分处的反偏电压作为推 荐动作电压而决定。

在本发明的推荐动作电压决定方法中，在测定的电流的变化中， 将自下凸变成上凸的两个拐点之间的曲线部分处的反偏电压作为推荐 动作电压而决定。由此，难以受到暗噪声的影响而可精度良好地决定 推荐动作电压，并且可容易地决定推荐动作电压。

本发明的光电二极管阵列，其具备：以盖格模式动作的多个雪崩 光电二极管；及相对于各个雪崩光电二极管串联连接的降压电阻；设 定基于以上述推荐动作电压决定方法决定的推荐动作电压的倍增率。

在本发明的光电二极管阵列中，由于设定有基于精度良好地决定 的推荐动作电压的倍增率，故而可抑制倍增率产生偏差。

发明的效果

根据本发明，可提供一种能容易且精度良好地决定施加于光电二 极管阵列的反偏电压的推荐动作电压及用以决定该推荐动作电压的基 准电压的基准电压决定方法及推荐动作电压决定方法、及设定有基于 推荐动作电压的倍增率的光电二极管阵列。

附图说明

图1是本实施方式所涉及的光电二极管阵列的立体图。

图2(a)是图1所示的光电二极管阵列的II-II箭头剖面图、及图2(b) 是其电路图。

图3是本实施方式的光电二极管阵列整体的电路图。

图4是表示电流相对于反偏电压的变化的曲线图。

图5是表示将图4所示的电流-电压特性对电流进行一次微分的结 果的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。再者， 在说明中，对相同要素或具有相同功能的要素使用相同的符号，并省 略重复的说明。

首先，参照图1～图3说明本实施方式的光电二极管阵列的结构。 图1是光电二极管阵列的立体图，图2(a)是图1所示的光电二极管阵列 的II-II箭头剖面图、及图2(b)是其电路图。图3是光电二极管阵列整 体的电路图。

在光电二极管阵列10中，在N型(第1导电类型)的半导体基板1N 形成有多个光电二极管D1(参照图3)。

各个光电二极管D1具有：P型(第2导电类型)的第1半导体区域 1PA，其形成于半导体基板1N的一个表面侧；及P型(第2导电类型) 的第2半导体区域1PB，其形成于第1半导体区域1PA内。第2半导 体区域1PB具有较第1半导体区域1PA高的杂质浓度。光电二极管 D1具有与半导体基板1N电连接的第1电极E1、及形成于第2半导体 区域1PB上的表面电极E3。第1半导体区域1PA的平面形状为四边形。 第2半导体区域1PB位于第1半导体区域的内侧，且平面形状为四边 形。第1半导体区域1PA的深度较第2半导体区域1PB深。图1中的 半导体基板1是表示包含N型的半导体基板1N、及P型的半导体区域 1PA、1PB双方的基板。

光电二极管阵列10中，各个光电二极管D1分别具备由金属层构 成的第1反射体E2、及电阻层(降压电阻)R1。第1反射体E2经由绝缘 层L(参照图2)而形成于第1半导体区域1PA的外侧的半导体基板1N 上。电阻层R1，其一端连接于表面电极E3，且沿着第1半导体区域 1PA上的绝缘层L的表面延伸。为了结构的明确化，在图1中省略图2 所示的绝缘层L的记载。

第1反射体E2由反射体E21构成，该反射体E21由平面形状为L 字型的金属层构成。位于半导体基板1N上的第1反射体E21(E2)与具 有第1开口的环状的表面电极E3电气隔离。即，虽在光电二极管D1 的阳极与阴极分别设置有电极，但一方的表面电极E3与第1反射体 E2电气分离。由此，第1反射体E2与表面电极E3被明确地区分开， 用以将其配置于适于反射的部位的设计自由度增加。连接于各个光电 二极管D1的电阻层R1的另一端视需要经由连接于电阻层R1的配线 电极而与共享的信号读取线TL电连接。

在图1中，在列方向邻接的一对光电二极管(半导体区域1PA的正 下方的区域)均经由电阻层R1而连接于在行方向延伸的信号读取线 TL。多对光电二极管分别经由电阻层R1而连接于1个信号读取线TL。 在行方向延伸的信号线TL沿着列方向排列有多条。同样地，多对光电 二极管也分别经由电阻层R1而连接于各个信号线TL。图1所示的各 信号线TL最终全部连接，在电路上作为1条信号线TL而构成如图3 所示的电路。

电阻层R1为电阻率高于其所连接的表面电极E3，另外，电阻率 也高于第1反射体E2。具体而言，电阻层R1由多晶硅构成，剩余的 电极及反射体全部由铝等的金属构成。在半导体基板1由Si构成的情 况下，作为电极材料，除了铝以外，也经常使用AuGe/Ni等。作为使 用Si的情况下的P型杂质，可使用B等的3族元素，作为N型杂质， 可使用N、P或As等的5族元素。即便半导体的导电类型的N型与P 型相互置换而构成元件，也可使该元件发挥功能。作为这些杂质的添 加方法，可使用扩散法或离子注入法。

作为绝缘层L的材料，可使用SiO₂或SiN。作为绝缘层L的形成 方法，在绝缘层L由例如SiO₂构成的情况下，可使用热氧化法或溅射 法。

在上述结构的情况下，可通过在N型半导体基板1N与P型的第1 半导体区域1PA之间构成PN结而形成光电二极管D1。半导体基板1N 与形成于基板背面的第1电极E1电连接。第1半导体区域1PA经由第 2半导体区域1PB而连接于表面电极E3。电阻层R1相对于光电二极 管D1而串联连接(参照图2(b))。

在光电二极管阵列10中，使各个光电二极管D1以盖格模式动作。 在盖格模式中，将大于光电二极管D1的击穿电压的反向电压(反偏电 压)施加于光电二极管D1的阳极/阴极间。即，对阳极施加(-)电位V1， 且对阴极施加(+)电位V2。这些电位的极性相反，也可将一方的电位设 为接地电位。

阳极为P型半导体区域1PA，阴极为N型半导体基板1N。光电二 极管D1作为雪崩光电二极管发挥功能。若向光电二极管D1入射光(光 子)，则在基板内部进行光电转换而产生光电子。在图2(a)所示的P型 半导体区域1PA的PN结界面的附近区域AVC进行雪崩倍增，而使放 大的电子群向电极E1流动。

第1反射体E2设置于相对于第2半导体区域1PB而杂质浓度相对 低的第1半导体区域1PA的外侧的半导体基板1N的表面上。半导体 基板1N的露出面的区域是几乎无助于对光入射进行检测的死区（dead  space）。第1反射体E2使入射的光反射且入射至第2反射体(例如，金 属封装内表面等)。第2反射体使入射的光再次反射，且将再反射的光 有效地导引至光电二极管D1。

连接于各个光电二极管D1的电阻层R1的另一端沿着半导体基板 1N的表面而与共通的信号读取线TL电连接。多个光电二极管D1以 盖格模式动作，各光电二极管D1连接于共通的信号线TL。因此，在 同时向多个光电二极管D1入射光子的情况下，多个光电二极管D1的 输出全部被输入至共通的信号线TL中，整体作为与入射光子数对应的 高强度的信号予以测量。也可将产生信号读取用的压降的负载电阻连 接于信号读取线TL。

上述结构为表面入射型的光电二极管阵列的结构，但也可采用背 面入射型的光电二极管阵列的结构。在该情况下，可使半导体基板1N 的厚度变薄，且将背面侧的电极E1设为透明电极。也可将背面侧的电 极E1配置于半导体基板1N的其它位置(例如基板表面侧)。

其次，参照图4～图5，对光电二极管阵列10的基准电压决定方法、 推荐动作电压决定方法、及倍增率设定方法进行说明。图4是表示电 流相对于反偏电压的变化的曲线图。图5是表示将图4所示的电流-电 压特性对电流进行一次微分的结果的曲线图。

首先，对光电二极管阵列10施加反偏电压。而且，使反偏电压变 化并测定输出电流。即，测定光电二极管阵列10的电流-电压特性。此 时，不一定要将电荷放大器等的放大器连接于光电二极管阵列10。为 消除放大器的特性偏差的影响，优选为不将放大器连接于光电二极管 阵列10。也可代替输出电流而测定向光电二极管阵列10的输入电流。

在光电二极管阵列10中，可预先预测进入至盖格区域的反偏电压。 因此，无需将使反偏电压变化时的下限值设定为零，只要设定为较进 入至盖格区域的反偏电压仅低规定的值的电压即可。由此，可谋求测 定光电二极管阵列10的输出电流的时间的缩短化。

将测定结果的一例示于图4。在图4中表示5个光电二极管阵列 10的测定结果。由图4可知，在各光电二极管阵列10中，电流-电压 特性IV1～IV5不同。因此，必需对各个光电二极管阵列10设定倍增率。

自图4所示的各电流-电压特性IV1～IV5可知，在光电二极管阵列 10的各个中，在反偏电压成为雪崩电压以上之后进入至盖格区域，当 光电二极管D1开始向盖格模式转移时，输出电流的值上升(图4中以 箭头A1所示的部分)。输出电流上升的反偏电压的值在每一光电二极 管阵列10不同。

随着反偏电压变高，转移至盖格模式的光电二极管D1的数量增 加，输出电流增加。而且，在各电流-电压特性IV1～IV5中，在转移至 盖格模式的光电二极管D1的数量最多的反偏电压，在输出电流的变化 中出现拐点(图4中以箭头A2所示的部分)。因此，将各电流-电压特性 IV1～IV5的拐点的反偏电压设为基准电压，且根据该基准电压设定推 荐动作电压，由此，可容易且精度良好地决定该推荐动作电压。

为求出输出电流相对于反偏电压的变化中的拐点，将图4所示的 各电流-电压特性IV1～IV5对输出电流进行微分。将结果示于图5。此 处，将各电流-电压特性IV1～IV5对输出电流进行一次微分。另外，为 了标准化，将一次微分的值除以输出电流。

自图5所示的微分特性Div1～Div5可知，输出电流相对于反偏电 压的变化中的拐点表现为，输出电流的一次微分成为峰值(图5中以箭 头A3所示的部分)。拐点的反偏电压为最多的光电二极管D1转移至盖 格模式的反偏电压。因此，将最多的光电二极管D1转移至盖格模式的 反偏电压设为用以决定推荐动作电压的基准电压。基准电压在每一光 电二极管阵列10不同。

在图5所示的微分特性Div1～Div5中，输出电流的一次微分在一 次迎来峰值之后，再次迎来峰值(图5中以箭头A4所示的部分)。其为 随着使反偏电压增加而使后脉冲（after-pulse）等飞跃性地增大的结果。 即，在输出电流相对于反偏电压的变化中，除了通过最多的光电二极 管D1转移至盖格模式而产生的拐点以外，也出现由于后脉冲等的影响 而使输出电流飞跃性地增大从而产生的拐点。这些拐点为在使反偏电 压增加时，自下凸变成上凸的拐点。因此，推荐动作电压优选设定为 最多的光电二极管D1转移至盖格模式的反偏电压(基准电压)以上且未 满后脉冲等飞跃性地增大的反偏电压的范围、即成为上述两个拐点间 的反偏电压。

其次，决定用以获得所期望的倍增率的推荐动作电压。光电二极 管阵列10的倍增率M为如上述那样以M=C×ΔV表示。由于C为光电 二极管D1的结电容，故为已知。因此，通过决定ΔV而唯一性地决定 倍增率M。即，通过将对基准电压加上ΔV而得到的反偏电压作为推 荐动作电压而决定，而可获得所期望的倍增率M。

例如，自图5所示的各微分特性Div1～Div5中成为峰值的反偏电 压(基准电压)加上规定的值而将各微分特性Div1～Div5中的成为下凸 的曲线部分的底部的反偏电压作为推荐动作电压而决定。作为具体例， 在图5中，关于微分特性Div1，表示有成为峰值的基准电压V_ref、对 基准电压V_ref增加规定的值ΔV而获得的推荐动作电压V_op。推荐动作 电压对于每个光电二极管阵列10不同。然而，在各光电二极管阵列10 中，由于推荐动作电压与基准电压的差ΔV相同，故而各光电二极管阵 列10的倍增率M相同。

在将推荐动作电压设定为高于图5所示的各微分特性Div1～Div5 中的成为下凸的曲线部分的底部的反偏电压的情况下，有倍增率M变 高，检测效率(PDE：Photon Detection Efficiency)变高，时间分辨率提 升的优点。相反，有暗计数、串扰、及后脉冲增加的缺点。在将推荐 动作电压设定为低于图5所示的微分特性Div1～Div5中的成为下凸的 曲线部分的底部的反偏电压的情况下，有倍增率M变低，暗计数、串 扰、及后脉冲减少的优点。相反，有检测效率较低，时间分辨率恶化 的缺点。因此，基准电压上增加的上述规定的值，需考虑光电二极管 阵列10所谋求的特性而被决定。

如上所述，在本实施方式中，将所测定的输出电流的变化中的拐 点处的反偏电压作为基准电压而决定，且将对该基准电压加上规定的 值而得到的电压作为推荐动作电压而决定。由此，难以受到暗噪声的 影响而可精度良好地决定基准电压及推荐动作电压。在本实施方式中， 通过施加反偏电压，并测定相对于反偏电压的变化的输出电流的变化， 而求出该变化的拐点。因此，可容易地决定基准电压及推荐动作电压。

而且，在本实施方式中，设定有基于精度良好地决定的推荐动作 电压的倍增率M。因此，可抑制倍增率M在每一光电二极管阵列10 产生偏差。

在本实施方式中，将所测定的输出电流的一次微分成为峰值的反 偏电压作为基准电压而决定。由此，可确实地求出输出电流的变化中 的拐点。

在上述现有的推荐动作电压的决定方法中，必需适当地检测来自 光源的光。因此，必需采用在暗箱内配置光电二极管阵列等不向光电 二极管阵列入射来自光源的光以外的光(环境光)的结构。然而，在本实 施方式的基准电压及推荐动作电压的决定方法中，即便在环境光入射 至光电二极管阵列10的情况下，光电二极管阵列10也检测环境光， 并作为输出电流输出。即，由于环境光也反映于输出电流，故无需采 用不入射环境光的结构。当然，在本实施方式中也可采用不入射环境 光的结构。

在上述现有的推荐动作电压的决定方法中，为获得频数分布，而 必需反复测定数千次，从而必需延长测定时间。然而，于本实施方式 中，只要测定光电二极管阵列10的输出电流相对于反偏电压的变化(电 流-电压特性)即可，测定时间极短。

以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明并非限 定于上述实施方式，可在不脱离其要旨的范围内进行各种变更。

在本实施方式中，通过一次微分求出电流相对于反偏电压的变化 (电流-电压特性)中的拐点，但并不限定于此。拐点也可在数学上通过 二次微分求出。因此，也可将所测定的电流的二次微分成为零的反偏 电压作为基准电压而决定。

在本实施方式中，在决定基准电压之后，根据该基准电压决定推 荐动作电压，但并不限定于此。例如，也可不决定基准电压而根据电 流相对于反偏电压的变化直接决定推荐动作电压。

如上述那样，推荐动作电压优选为设定为在电流相对于反偏电压 的变化中成为由最多的光电二极管D1转移至盖格模式而产生的拐点、 与因后脉冲等飞跃性地增大而产生的拐点之间的反偏电压。因此，在 获得如图4所示的电流-电压特性IV1～IV5之后，也可将在该电流-电压 特性IV1～IV5中使反偏电压增加时自下凸变成上凸的两个拐点之间的 曲线部分的反偏电压作为推荐动作电压而决定。由此，也可精度良好 且容易地决定推荐动作电压。在此情况下，拐点也可由一次微分或二 次微分中的任一者求出。

产业上的可利用性

本发明可利用于具备以盖格模式动作的多个雪崩光电二极管、及 相对于各个雪崩光电二极管串联连接的降压电阻的光电二极管阵列。

符号说明

10    光电二极管阵列

D1    光电二极管(雪崩光电二极管)

R1    电阻层(降压电阻)