具体实施方式

下面将参考附图对本公开的实施方式进行详细地说明。并且，对在各附图中相同或相应的部分以相同的标记来表示，将省略重复的说明。

如图1所示，光检测装置1具备光检测单元2、光源3、控制部4以及显示部5。光检测装置1是利用间接TOF方式来获得对象物OJ的距离图像(包括关于到对象物OJ的距离d的信息的图像)的装置。

如图2所示，光检测单元2具有信号处理电路(信号处理部)6和光检测元件10A。信号处理电路6包括电压信号生成电路61、CMOS读出电路62、垂直扫描电路63、列电路64、水平扫描电路65、放大器66，以及定时产生电路67。在本实施方式中，光检测元件10A是背面入射型的InGaAs区域传感器，在CMOS读出电路62上连接有凸块。

电压信号生成电路61生成脉冲电压信号并且施加至光检测元件10A。CMOS读出电路62由多个电荷放大器等构成，并且当从光检测元件10A的各像素输出检测信号时，在各电荷放大器中积分信号电流。

垂直扫描电路63逐行依次选择CMOS读出电路62的多个电荷放大器。列电路64将所选行的各电荷放大器中积分的信号电压与复位电压一起进行采样保持。水平扫描电路65将在列电路64中进行采样保持的信号电压和复位电压的电压差依次传送至放大器66。

放大器66将从列电路64依次传送的信号电压和复位电压之间的电压差增幅，并且将增幅的电压差作为输出电压信号输出至控制部4(见图1)。定时产生电路67控制电压信号生成电路61、垂直扫描电路63以及水平扫描电路65的操作定时。并且，在模拟输出的情况下，设置有放大器66，但在数字输出的情况下，设置有AD转换器来代替放大器66。

如图3所示，光检测元件10A具备n型(第一导电型)的半导体基板11、n型的光吸收层12、n型的缓和层13、n型的盖层14，以及多个p型(第二导电型)的半导体区域15。光吸收层12例如通过外延生长而形成于半导体基板11上。缓和层13例如通过外延生长而形成于光吸收层12上。盖层14例如通过外延生长而形成于缓和层13上。

缓和层13由多个层13a、13b、13c构成，并且形成于光吸收层12和盖层14之间。以缓和光吸收层12的带隙与盖层14的带隙的差的方式设置各层13a、13b和13c的带隙。如果可以缓和光吸收层12的带隙与盖层14的带隙的差，缓和层13也可以由1层构成。通过以此种方式设置缓和层13，与在光吸收层12上直接形成盖层14的情况相比，更易形成盖层14。

多个半导体区域15例如通过热扩散、离子注入等形成于盖层14内。在从半导体基板11的厚度方向观察的情况下，多个半导体区域15二维地(例如，矩阵状)排列。各半导体区域15沿盖层14的与半导体基板11相反侧的表面形成，并且从盖层14的半导体基板11侧的表面分开。各半导体区域15与盖层14形成pn结，并且构成各像素P。在各半导体区域15的周围形成有耗尽层D1。并且，半导体区域15例如是具有1×10¹⁷cm^-3以上的杂质浓度的杂质区域。

在本实施方式中，半导体基板11是具有0.5～5×10¹⁸cm^-3(例如，1×10¹⁸cm^-3左右)的载流子浓度的n⁺-InP基板，并且厚度为150～300μm(例如，200μm左右)。光吸收层12是具有3～10×10¹⁴cm^-3(例如，5×10¹⁴cm^-3左右)载流子浓度的n^--InGaAs层，并且厚度为1～5μm(例如，2μm左右)。缓和层13是具有0.3～5×10¹⁵cm^-3(例如，1×10¹⁵cm^-3左右)的载流子浓度的n^--InGaAs层，并且厚度为0.1～0.6μm(例如，0.2μm左右)。盖层14是具有0.3～5×10¹⁵cm^-3(例如，1×10¹⁵cm^-3左右)载流子浓度的n^--InP层，并且厚度为1～2μm(例如，1.5μm左右)。各半导体区域15是具有0.1～10×10¹⁸cm^-3(例如，1×10¹⁸cm^-3左右)载流子浓度的p+区域，并且厚度为0.1～1μm(例如，0.5μm左右)。

光检测元件10A还具备多个第一电极16和多个第二电极17。第一电极16和第二电极17形成在绝缘膜18上，绝缘膜18形成于盖层14的与半导体基板11相反侧的表面。第一电极16和第二电极17例如由Ti、Pt、Cr、Ni、Au、它们的合金等形成。绝缘膜18例如是氮化硅膜、氧化硅膜等。

各第一电极16在形成于光吸收层12、缓和层13、盖层14以及绝缘膜18的沟槽(或通孔)内延伸，与光吸收层12、缓和层13、盖层14电接触。以不影响耗尽层D1的方式，形成该沟槽(或通孔)。各第二电极17在形成于绝缘膜18的开口(或通孔)内延伸，并且与各半导体区域15电接触。由于第一电极16用作共同电极，因此对多个像素P可以设置至少一个第一电极16。由于第二电极17用作个别电极，因此有必要对各像素P设置一个第二电极17。并且，如果以不影响耗尽层D1的方式形成各第一电极16延伸的沟槽(或通孔)，则其可以达到半导体基板11、光吸收层12、缓和层13以及盖层14中的任一层。

光吸收层12、缓和层13和盖层14设置有像素分离部20。像素分离部20以通过相邻的像素P之间的方式(即，以通过相邻的半导体区域15之间的方式)延伸。在多个半导体区域10a排列成矩阵状时，像素分离部20以格子状延伸。

通过沿形成于光吸收层12、缓和层13和盖层14内的沟槽21的内表面形成p型的半导体区域22，来构成像素分离部20。在半导体区域22的周围形成耗尽层D2。像素分离部20(即，沟槽21和半导体区域22)达到光检测元件10A的侧面，并且半导体区域22在该侧面被短路。并且，沟槽21的内表面被绝缘膜18覆盖。

在各像素P中，形成于半导体区域15的周围的耗尽层D1，在不向第一电极16和第二电极17之间施加反方向偏置(非偏置状态)的情况下，没有达到光吸收层12。另一方面，在向第一电极16和第二电极17之间施加20V的反方向偏置的情况下，如图4所示，耗尽层D1从盖层14侧超过光吸收层12的厚度的80％的位置(以光吸收层12的盖层14侧的表面为基准，从该表面起光吸收层12的厚度的80％的位置)。并且，“向第一电极16和第二电极17之间施加·不施加反方向偏置”与“向半导体区域15与盖层14形成的pn结施压·不施加反方向偏置”同义(以下相同)。

在本实施方式中，因为第一电极16是n型侧的电极，第二电极17是p型侧的电极，所以以第一电极16的电位作为基准并且第二电极17的电位为-20V的方式，向第一电极16和第二电极17之间施加反方向偏置。另外，在本实施方式中，如图3所示，耗尽层D1在非偏置状态下达到缓和层13的层13c，如果耗尽层D1在非偏置状态下没有达到光吸收层12，则也可以达到缓和层13的其他的层13a、13b，或者也可以不达到缓和层13(即，也可以容纳于盖层14内)。

在此，将对光检测元件10A的各种参数的设定进行说明。在耗尽层D1在非偏置状态达到缓和层13的层13c的情况下，如果假定半导体区域15处于单边突变结(one-sidedabrupt junction)的状态，则通过式(1)来表示耗尽层D1达到光吸收层12所需的反方向偏置V。

【式1】

在式(1)中，W1是耗尽层D1与层13c中的光吸收层12侧的表面之间的距离，W2是层13b的厚度，并且W3是层13a的厚度。εr1是层13c的相对介电常数，εr2是层13b的相对介电常数，εr3是层13a的相对介电常数。N1是层13c的载流子浓度，N2是层13b的载流子浓度，N3是层13a的载流子浓度。q是电荷，ε0是电气常数。

因此，在未向第一电极16与第二电极17之间施加反方向偏置的情况下，通过式(2)表示耗尽层D1没有达到光吸收层12的条件。

【式2】

另外，在耗尽层D1在非偏置状态下达到缓和层13的层13c的情况下，如果假定半导体区域15处于单边突变结的状态，则通过式(3)来表示耗尽层D1从盖层14侧达到光吸收层12的厚度的X％的位置(将光吸收层12的盖层14侧的表面作为基准，并且从该表面起光吸收层12的厚度的X％的位置)所需的反方向偏置。在公式(3)中，Wab是光吸收层12的厚度，εrab是光吸收层12的相对介电常数，Nab是光吸收层12的载流子浓度。

【式3】

因此，在向第一电极16和第二电极17之间施加20V的反方向偏置的情况下，通过式(4)来表示耗尽层D1从盖层14侧超过光吸收层12的厚度的80％的位置的条件。

【式4】

在本实施方式中，以满足式(2)和式(4)的方式，设定光检测元件10A的各种参数。特别是，在本实施方式中，在向第一电极16和第二电极17之间施加5V的反方向偏置的情况下，耗尽层D1从盖层14侧达到光吸收层12的厚度的100％的位置。即，在本实施方式中，以满足式(5)的方式，设定光检测元件10A的各种参数。

【式5】

并且，在耗尽层D1在非偏置状态下未达到缓和层13(即，容纳于盖层14内)的情况下，可以在式(1)～式(5)的右边添加盖层14的项。在这种情况下，当不存在缓和层13时，可以在式(1)～式(5)的右边减去缓和层13的项。如上所述，可以根据光检测元件10A的层结构等，在式(1)～(5)的右侧添加或减去与各层相对应的项。

如图1所示，光源3以10KHz以上的频率输出光检测元件10A具有灵敏度(即，在光检测元件10A可以发生光电变换)的脉冲光L。在本实施方式中，光源3例如是红外LED等，并且输出具有1.5μm左右的波长的脉冲光L。使从光源3输出的脉冲光照射对象物OJ，并且由对象物OJ反射的脉冲光L入射至光检测元件10A。控制部4控制光检测单元2和光源3，并且基于从光检测单元2输出的输出电压信号生成对象物OJ的距离图像，并且表示于显示部5。

如以上说明，在光检测元件10A中，如果不向第一电极16和第二电极17之间施加反方向偏置，因为耗尽层D1未达到光吸收层12，所以即使通过脉冲光L的入射，在光吸收层12产生载流子(电子和空穴)，也没有电流在第一电极16和第二电极17之间流动。即，通过例如不向第一电极16与第二电极17之间施加反方向偏置，可以不使信号处理电路6从光检测元件10A输出检测信号。另一方面，如果向第一电极16和第二电极17之间施加20V的反方向偏置，因为耗尽层D1从盖层14侧超过光吸收层12的厚度的80％，所以通过脉冲光L的入射，在光吸收层12中的耗尽层D1扩展的区域产生载流子时，电流在第一电极16和第二电极17之间流动。即，通过例如向第一电极16与第二电极17之间施加反方向偏置，可以使信号处理电路6从光检测元件10A输出检测信号。在此，20V的电位差是不容易影响后级的信号处理电路6的设计的电位差，并且是可以以数十ns级的高速调制的电位差。因此，根据光检测元件10A，可以以简易的结构实现高速的检测信号的输出控制。

特别是，在光检测元件10A，在向第一电极16和第二电极17之间施加5V的反方向偏置时，耗尽层D1从盖层14侧达到光吸收层12的厚度的100％的位置。因为光检测元件10A是使光从半导体基板11侧入射的背面入射型的区域传感器，所以通过5V的反方向偏置的施加，耗尽层D1达到光吸收层12的光入射侧的表面，在谋求提高灵敏度和响应性上是有效的。

并且，雪崩光电二极管也是通过施加反方向偏置来检测光的元件，但因为需要例如50V的电位差作为反方向偏置这点，与光检测元件10A从根本上不同。在雪崩光电二极管中，在光吸收层和盖层之间形成电场抑制层，以增加施加于形成有倍增层的盖层的电场强度，并且减小施加于光吸收层的电场强度。与之相对，在光检测元件10A中，在光吸收层12和盖层14之间形成电场抑制层，以减小施加于盖层14的电场强度，并且增加施加于光吸收层12的电场强度。并且，50V的电位差是容易影响CMOS等的后级的电路的设计的电位差，并且是不可以以数十ns级的高速调制的电位差。

另外，在光检测元件10A中，在光吸收层12与盖层14之间形成有n型的缓和层13。由此，可以使在光吸收层12中耗尽层D1扩散的区域产生的载流子平滑地移动。

另外，在光检测元件10A中，在从半导体基板11的厚度方向观察的情况下，多个半导体区域15在盖层14中二维地排列。由此，可以获得对象物OJ的距离图像。

另外，在光检测元件10A中，在光吸收层12、缓和层13和盖层14设有像素分离部20。由此，可以抑制相邻像素P间的串扰的产生。另外，即使在非偏置状态下在光吸收层12产生载流子，该载流子也被形成于半导体区域22的周围的耗尽层D2捕获。因此，当从非偏置状态切换至施加反方向偏置状态时，可以抑制非偏置状态下在光吸收层12产生的载流子成为噪声。

另外，在光检测元件10A中，光吸收层12，缓和层13和盖层14的各个的载流子浓度为1×10¹⁶cm^-3以下。由此，通过施加20V以下的电位差的反方向偏置，可以使耗尽层D1在光吸收层12平滑地扩散。

另外，光检测装置1具备：光检测元件10A、向第一电极16和第二电极17之间施加脉冲电压信号并且获得从光检测元件10A输出的检测信号的信号处理电路6，以及以10KHz以上的频率输出光检测元件10A具有灵敏度的脉冲光L的光源3。由此，如接下来描述的计算例，可以适当地获得关于到对象物OJ的距离d的信息。

参考图5，对到对象物OJ的距离d的计算例进行说明。在图5中，示出：从光源3输出的脉冲光L的强度信号I_OUT，由对象物OJ反射并且入射至光检测元件10A的脉冲光L的强度信号I_IN，以及在第一阶段中向光检测元件10A(具体地，第一电极16和第二电极17之间)施加的脉冲电压信号V1_IN，在第二阶段中向光检测元件10A施加的脉冲电压信号V2_IN，以及在第三阶段中向光检测元件10A施加的脉冲电压信号V3_IN。并且，在该计算例中，着眼任意一个像素P。

在第一阶段中，在以强度信号I_OUT从光源3输出脉冲光L并且向光检测元件10A施加脉冲电压信号V1_IN的状态下，获得输出电压信号V1_OUT。强度信号I_OUT的脉冲宽度T例如以30ns(可测定距离：～4.5m)、40ns(可测定距离：～6.0m)、60ns(可测定距离：～9.0m)的方式，根据应测定的距离进行设定。脉冲电压信号V1_IN是耗尽层D1未达到光吸收层12的第一电压V_L和耗尽层D1达到光吸收层12的第二电压V_H交替重复的电压信号，并且是周期、脉冲宽度及相位与强度信号I_OUT相同的电压信号。第一电压V_L在本实施方式中为0V。第二电压V_H是耗尽层D1从盖层14侧达到光吸收层12的厚度的100％的位置的电压，并且在本实施方式中为5V。此时，因为光检测元件10A仅在施加第二电压VH的期间输出检测信号，所以输出电压信号V1_OUT对应于强度信号I_IN的脉冲和脉冲电压信号V1_IN的脉冲互相重合部分的电荷量Q1的积分值。

在第二阶段中，在以强度信号I_OUT从光源3输出脉冲光L并且向光检测元件10A施加偏置电压信号V2_IN的状态下，获得输出电压信号V2_OUT。除相位偏移180°的点，脉冲电压信号V2_IN是与脉冲电压信号V1_IN相同的电压信号。此时，因为光检测元件10A仅在施加第二电压VH的期间输出检测信号，所以输出电压信号V2_OUT对应于强度信号I_IN的脉冲和脉冲电压信号V2_IN的脉冲互相重合部分的电荷量Q2的积分值。

在第三阶段中，在未从光源3输出脉冲光L并且向光检测元件10A施加偏置电压信号V3_IN的状态下，获得输出电压信号V3_OUT。此时，因为光检测元件10A仅在施加第二电压V_H的期间输出检测信号，所以如果有环境光，输出电压信号V3_OUT对应于环境光的强度信号与脉冲电压信号V3_IN的脉冲互相重合部分的电荷量的积分值。

当对每个像素P实施以上的第一阶段、第二阶段以及第三阶段时，控制部4对每个像素，根据输出电压信号V1_OUT、V2_OUT、V3_OUT，来计算到对象物OJ的距离d。通过式(6)表示距离d。在式(6)中，c是光速。

【式6】

如上所述，在光检测装置1中，可以使光检测元件10A以几十纳秒级进行切换操作(调制操作)。另外，在光检测装置1中，各输出电压信号V1_OUT、V2_OUT的第二电压V_H是耗尽层D1从盖层14侧达到光吸收层12的厚度的100％的位置的电压。由此，可以抑制将在光吸收层12中耗尽层D1未扩散的区域产生的载流子作为延迟分量检测，进而，可以抑制距离d的计算精度劣化。另外，在光检测装置1中，光源3是出射具有1.5μm左右的波长的脉冲光L的光源，光检测元件10是对具有1.5μm左右的波长的脉冲光L具有足够的灵敏度的InGaAs区域传感器。由此，即使例如在雾或烟中，也容易获得对象物OJ的距离图像。并且，上述计算例仅是一个示例，并且可以通过公知的各种的计算来获得关于到对象物OJ的距离d的信息。另外，第二电压VH也可以是20V以下的电压(优选为10V以下的电压，更优选为5V以下的电压)。在这种情况下，在光检测装置1中，可以更可靠地谋求灵敏度和响应性的提高。

本公开不限于上述实施方式。例如，光检测元件10A也可以作为半导体区域15在盖层14内一维地排列的线性传感器而构成。在图6和图7中，示出作为背面入射型的InGaAs线性传感器而构成的光检测元件10B。并且，图6是沿平行于多个半导体区域15的排列方向(以下，简称为“排列方向”)的面的光检测元件10B的一部分的截面图，并且图7是沿垂直于排列方向的面的光检测元件10B的截面图。

光检测元件10B主要在以下点与上述光检测元件10A不同：光吸收层12和盖层14之间没有形成有n型的缓和层13，以及形成有p性的半导体区域23。在光检测元件10B中，如图7所示，在与半导体基板11的厚度方向以及排列方向的两个方向垂直的宽度方向(以下，简称“宽度方向”)，盖层14的宽度比半导体基板11的宽度小，并且光吸收层12的宽度与半导体基板11的宽度相等。半导体区域23沿在宽度方向彼此相对的盖层14的侧面，以及光吸收层12的与半导体基板11相反侧的表面中未形成盖层14的表面而形成。半导体区域23被绝缘膜18覆盖。

在光检测元件10B，如图8和图9所示，仅在第一电极16和第二电极17之间施加20V的反方向偏置的情况下，耗尽层D1从盖层14侧超过光吸收层12的厚度的80％的位置。因此，根据光检测元件10B，与上述光检测元件10A同样地，可以以简易的结构实现高速的检测信号的输出控制。

另外，在光检测元件10B中，不仅通过形成于像素分离部20的半导体区域22的周围的耗尽层D2，还通过形成于半导体区域23的周围的耗尽层D3，在非偏置状态下，捕捉产生于光吸收层12的载流子。因此，当从非偏置状态切换至施加反方向偏置状态时，可以抑制非偏置状态下在光吸收层12产生的载流子成为噪声。

另外，在光检测元件10B中，在宽度方向，盖层14的宽度比半导体基板11的宽度小。由此，可以抑制产生于pn结区域(像素P的区域)的周围的区域的载流子成为噪声。并且，在宽度方向上，光吸收层12的宽度和盖层14的宽度中的各个也可以比半导体基板11的宽度小。在这种情况下，可以更可靠地抑制产生于pn结区域的周围的区域的载流子成为噪声。

另外，在如图3所示的光检测元件10A中，在光吸收层12与盖层14之间也可以不形成有n型的缓和层13。相反地，在图6和图7所示的光检测元件10B中，在光吸收层12和盖层14之间也可以不形成有n型的缓和层13。如果未形成缓和层13并且光吸收层12和盖层14彼此接触，则可以减小耗尽层D1从盖层14侧超过光吸收层12的厚度的至少50％的位置所需的反方向偏置。并且，在图6和图7所示的光检测元件10B中，在光吸收层12和盖14之间形成有缓和层13的情况下，在宽度方向，缓和层13的宽度和盖层14的宽度的各个也可以比半导体基板11的宽度小，或者，在宽度方向，光吸收层12的宽度、缓和层13的宽度以及盖层14的宽度的各个也可以比半导体基板11的宽度小。在这些情况下，可以更可靠地抑制产生于pn结区域的周围的区域的载流子成为噪声。

另外，在图3所示的光检测元件10A中，也可以不设置像素分离部20。同样地，在图6和图7所示的光检测元件10B中，也可以不设置像素分离部20。另外，在图6和图7所示的光检测元件10B中，也可以不形成半导体区域23。

另外，在上述光检测元件10A、10B的任意一个中，在向第一电极16和第二电极17之间施加20V的反方向偏置的情况下，只要耗尽层D1从盖层14侧超过光吸收层12的厚度的50％的位置(以光吸收层12的盖层14侧的表面为基准，从该表面起光吸收层12的厚度的50％的位置)即可。通过施加20V的反方向偏置，使耗尽层D1从盖层14侧扩散到光吸收层12的厚度的50％至100％的范围内的哪个位置，取决于检测对象的光的波长、检测对象的光的入射方向等而决定。

另外，上述光检测元件10A和10B中的任一个也可以作为表面入射型而构成。在这种情况下，第一电极16例如形成于半导体基板11的与光吸收层12相反侧的表面。另外，在第二电极17，例如形成有用于使检测对象的光入射至光吸收层12的开口。在各光检测元件10A、10B作为表面入射型而构成的情况下，相比于光吸收层12更靠近光入射侧设置的层的带隙，从抑制在该层的光吸收的观点出发，优选大于光吸收层12的带隙。并且，即使在光检测元件10A、10B作为为背面入射型而构成的情况下，相比于光吸收层12更靠近光入射侧设置的层的带隙，从抑制暗电流的观点来看，优选大于光吸收层12的带隙。

另外，在上述光检测元件10A、10B中的任一个中，p型和n型的各导电类型也可以与上述的相反。在这种情况下，因为第一电极16是p型侧的电极，第二电极17是n型侧的电极，所以以第一电极16的电位作为基准并且第二电极17的电位为正的电位的方式，向第一电极16和第二电极17之间施加反方向偏压。并且，如上所述，当半导体基板11、光吸收层12、缓和层13和盖层14为n型，并且半导体区域15为p型时，可以保证光检测元件10A、10B制造的容易性。

另外，在上述光检测元件10A、10B中的任一个中，也可以以半导体区域15在制造时可靠地容纳于盖层14的方式，在光吸收层12和盖层14之间或盖层14内形成组成不同的层。另外，在光检测元件10A、10B中的任一个中，也可以以尽管处于非偏置状态耗尽层D1也不会由于制造时的偏差等达到光吸收层12的方式，在光吸收层12和盖层14之间形成有载流子浓度大的超薄的层。另外，在上述光检测元件10A、10B中的任一个中，也可以在盖层14上形成用于减小与电极的接触电阻的接触层。

另外，上述光检测元件10A、10B中的任一个，也可以作为在盖层14内形成有一个半导体区域15的单元件而构成。在这种情况下，也可以通过简易的结构来实现高速的检测信号输出控制。另外，在这种情况下，通过构成为光检测装置1，也可以获得关于到对象物OJ的距离d的信息。

另外，不限于上述材料和形状，各种材料和形状也可以适用于上述光检测元件10A、10B的各结构。例如，上述光检测元件10A、10B的材料不限于化合物半导体，也可以是有机半导体、非晶材料等。另外，上述一个实施方式或变形例中的各结构可以任意地适用于其他的实施方式或变形例中的各结构。

另外，光检测装置1也可以不具备光源3。作为这种情况的光检测装置1，例举具有检测高速的物体·信号所需的全局快门操作(高速快门操作)的红外图像传感器等。

符号说明

1……光检测装置

3……光源

6……信号处理电路(信号处理部)

10A、10B……光检测元件

11……半导体基板

12……光吸收层

13……缓和层

14……盖层

15……半导体区域

16……第一电极

17……第二电极

D1……耗尽层。