CN107665897B - 光检测设备和光检测系统 - Google Patents

光检测设备和光检测系统 Download PDF

Info

Publication number
CN107665897B
CN107665897B CN201710628241.4A CN201710628241A CN107665897B CN 107665897 B CN107665897 B CN 107665897B CN 201710628241 A CN201710628241 A CN 201710628241A CN 107665897 B CN107665897 B CN 107665897B
Authority
CN
China
Prior art keywords
semiconductor region
potential
type semiconductor
light detection
region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710628241.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107665897A (zh
Inventor
森本和浩
池田一
岩田旬史
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2016150331A external-priority patent/JP2018019040A/ja
Priority claimed from JP2016150330A external-priority patent/JP7013120B2/ja
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Publication of CN107665897A publication Critical patent/CN107665897A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107665897B publication Critical patent/CN107665897B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1443—Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/148—Charge coupled imagers
    • H01L27/14806—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14812—Special geometry or disposition of pixel-elements, address lines or gate-electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022416—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier comprising ring electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/062—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the metal-insulator-semiconductor type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

提供了光检测设备和光检测系统。半导体基板具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。光电转换部分具有配置有不同导电类型的第一半导体区域和第二半导体区域的PN结。埋入部分被埋入半导体基板中并且包含电极和被定位在电极与半导体基板之间且与第二半导体区域接触的电介质构件。第二半导体区域被定位在比第一半导体区域深的位置中。埋入部分被定位为从第一表面延伸到比第一半导体区域深的位置。以在电极与第二半导体区域之间出现的反型层和第一半导体区域彼此接触的方式，电势被供应到第一半导体区域、第二半导体区域和电极。

Description

光检测设备和光检测系统
技术领域
实施例的多个方面一般涉及各自被配置为执行光电转换的光检测设备和光检测系统。
背景技术
迄今为止，已知存在能够通过使用雪崩(电子雪崩)倍增而以单个光子的水平检测弱光的光检测设备。日本专利申请公开No.2014-225647讨论了具有单个光子雪崩二极管(SPAD)的像素，其中，从单个光子生成的光载流子在构造光电转换部分的半导体区域的PN结区域中触发雪崩放大。此外，在日本专利申请公开No.2014-225647中讨论的SPAD具有其中光电转换部分和淬灭电路(quenching circuit)彼此隔离的深沟槽隔离(deep trenchisolation)(DTI)结构，并因此可以在布置各自被小型化的多个像素的情况下防止像素之间的泄漏电流。
在日本专利申请公开No.2014-225647中讨论的SPAD在半导体基板的表面附近具有充当用于检测电荷的区域的PN结区域。在光入射于其上时在半导体基板的深部中生成的电荷由于扩散而移动到PN结区域。因此，与在半导体基板的表面上生成的电荷相比，在半导体基板的深部中生成的电荷从电荷生成到引起向PN结区域移动可能需要更长的时间。
发明内容
实施例的多个方面一般针对能够减少检测在半导体基板的深部中生成的电荷所需要的时间的光检测设备。
根据实施例的一方面，一种光检测设备包括半导体基板、光电转换部分和埋入部分。半导体基板具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。光电转换部分具有配置有第一半导体区域和导电类型与第一半导体区域的导电类型不同的第二半导体区域的PN结。埋入部分被埋入于半导体基板中并且包含电极和被定位在电极与半导体基板之间并且与第二半导体区域接触的电介质构件。第二半导体区域被定位在关于第一表面比第一半导体区域深的位置中。埋入部分被定位为从第一表面延伸到关于第一表面比第一半导体区域深的位置。电势以以下方式被供应到第一半导体区域、第二半导体区域和电极：在电极与第二半导体区域之间出现的反型层(inversion layer)和第一半导体区域彼此接触。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本公开的另外特征将变得清楚。
附图说明
图1是根据第一示例性实施例的光检测设备的框图。
图2是包含等效电路的像素的框图。
图3是根据第一示例性实施例的光检测设备的截面示意图。
图4A、图4B和图4C是线段CD中的能带图。
图5是线段EH中的电势结构图。
图6示出光响应性能。
图7A和图7B分别是光检测设备的平面示意图和截面示意图。
图8A和图8B分别是光检测设备的平面示意图和截面示意图。
图9是光检测设备的平面示意图。
图10是光检测设备的平面示意图。
图11是光检测设备的平面示意图。
图12是光检测系统的框图。
图13是光检测系统的框图。
图14是根据第二示例性实施例的光检测设备的截面示意图。
图15A、图15B和图15C是线段CD中的能带图。
图16是线段EH中的电势结构图。
图17示出光响应性能。
图18A和图18B分别是光检测设备的平面示意图和截面示意图。
图19A和图19B分别是光检测设备的平面示意图和截面示意图。
图20是光检测设备的平面示意图。
图21是光检测设备的平面示意图。
图22是光检测设备的平面示意图。
具体实施方式
参照图1至图6描述根据第一示例性实施例的光检测设备。具有分配到其的相同的附图标记的部分指示各相同的元件或各相同的区域。
图1是根据第一示例性实施例的光检测设备10的框图。光检测设备10包括像素部分106、控制脉冲生成部分109、水平扫描电路部分104、列电路105、信号线107和垂直扫描电路部分103。
像素部分106包括以矩阵方式布置的多个像素100。每个像素100配置有光电转换元件101和像素信号处理部分102。光电转换元件101将光转换为电信号，并且像素信号处理部分102然后将转换的电信号输出到列电路105。
垂直扫描电路部分103接收从控制脉冲生成部分109供应的控制脉冲信号，并且然后向每个像素100供应控制脉冲信号。使用诸如移位寄存器或地址解码器的逻辑电路作为垂直扫描电路部分103。
每个信号线107用于将从由垂直扫描电路部分103选择的像素100输出的信号作为电势信号供应到被定位在像素100后续的电路。
列电路105经由信号线107接收来自各个像素100的信号，并对所接收的信号执行预定处理。预定处理包括用于对信号执行噪声移除和放大并将信号转换成要被输出到光检测设备10的外部的格式的处理。列电路105包括例如并行串行转换电路。
水平扫描电路部分104向列电路105供应用于将由列电路105处理的信号顺序输出到输出电路108的控制脉冲信号。
输出电路108配置有例如缓冲放大器和差分放大器，并将从列电路105输出的信号输出到被定位在光检测设备10外部的记录单元或信号处理单元。
参照图1，像素部分106中的像素100的布置可以是一维布置，或者可以仅配置有一个像素。此外，像素部分106可以被分成各自包括多个像素行的块，并且可以对每个块布置垂直扫描电路部分103、水平扫描电路部分104和列电路105。而且，可以对每个像素行布置垂直扫描电路部分103、水平扫描电路部分104和列电路105。
像素信号处理部分102的功能不一定需要为所有像素中的每个提供，并且，例如一个像素信号处理部分102可以被多个像素100共享，使得信号处理被顺序执行。此外，为了增加光电转换元件101的开口率(aperture ratio)，像素信号处理部分102可以被设置在与光电转换元件101不同的半导体基板处。在这种情况下，光电转换元件101和像素信号处理部分102经由为每个各像素设置的连接线互连。如上所述，垂直扫描电路部分103、水平扫描电路部分104、信号线107和列电路105也可以设置在不同的半导体基板处。
图2示出根据本示例性实施例的包括等效电路的像素100的框图的示例。参照图2，每个像素100包括光电转换元件101和像素信号处理部分102。
光电转换元件101包括光电转换部分201和控制部分202。
光电转换部分201通过光电转换生成对应于入射光的电荷对。例如，使用光电二极管(photodiode)作为光电转换部分201。
基于电势VH的电势被供应到光电转换部分201的阴极，电势VH高于供应到光电转换部分201的阳极的电势VL。然后，电势以以下方式被供应到光电转换部分201的阳极和阴极：反向偏置(reverse bias)以使光电转换部分201充当雪崩二极管的方式被施加。用所供应的这样的反向偏置电势执行光电转换使由入射光生成的电荷引起雪崩放大，使得生成雪崩电流。
此外，在供应反向偏置电势的情况下，当阳极和阴极之间的电势差高于击穿电压时，雪崩二极管执行盖格(Geiger)模式操作。使用盖格模式操作快速检测单个光子的水平的弱信号的光电二极管是SPAD。
而且，在光电转换部分201的阳极和阴极之间的电势差等于或大于以下这样的电势差并且等于或低于击穿电压的情况下，雪崩二极管进入线性模式：在光电转换部分201中生成的电荷根据该电势差带来雪崩放大。在线性模式下执行光检测的雪崩二极管被称为“雪崩光电二极管(APD)”。在本示例性实施例中，光电转换部分201可以作为以上两个雪崩二极管中的任一个操作。另外，下面描述根据其带来雪崩放大的电势差。
控制部分202被连接到供应高电势VH的电源电压和光电转换部分201。控制部分202具有将在光电转换部分201中生成的雪崩电流的改变变换成电压信号的功能。而且，控制部分202在由雪崩放大引起的信号放大时充当负载电路(淬灭电路)，并且具有限制要供应到光电转换部分201的电压以及限制雪崩放大(淬灭操作)的作用。控制部分202配置有例如电阻元件或通过检测雪崩电流的增加并执行反馈控制主动地限制雪崩倍增的主动淬灭电路。
像素信号处理部分102包括波形整形部分203、时间数字转换器(TDC)204、存储器205和选择电路206。
波形整形部分203通过整形在检测单个光子水平信号时获得的电压改变而输出脉冲信号。例如，使用逆变器(inverter)电路作为波形整形部分203。此外，虽然示出了使用单个逆变器作为波形整形部分203的示例，但是可以使用配置有串联连接的多个逆变器的电路，或者可以使用具有波形整形效果的另一电路。
生成从波形整形部分203输出的脉冲信号的定时被TDC 204转换成数字信号。
控制脉冲信号pREF(参考信号)经由驱动线207从图1中所示的垂直扫描电路部分103被供应到TDC 204以测量脉冲信号的定时。TDC 204获取通过基于控制脉冲信号pREF将经由波形整形部分203从每个像素输出的信号的输入定时转换为相对时间而获得的信号作为数字信号。
使用例如缓冲电路被串联连接以产生延迟的延迟线方法或延迟线以环(loop)的形式连接的环状TDC方法来配置TDC 204的电路。虽然可以使用另一种方法，但是能够达到等于或大于光电转换部分201的时间分辨率的时间分辨率的电路方法是期望的。
指示由TDC 204获取的脉冲检测定时的数字信号被存储于一个或多个存储器205中。
控制脉冲信号pSEL经由驱动线208从图1中所示的垂直扫描电路部分103被供应到选择电路206，以切换存储器205和信号线107之间的电连接和断开。例如，用于向像素的外部输出信号的晶体管或缓冲电路被用作选择电路206。
在布置多个存储器205的情况下，如果多个信号被供应到选择电路206，则当保持于存储器205中的数字信号被输出到信号线107时，可以在逐个存储器的基础上控制向信号线107的输出。
此外，诸如晶体管之类的开关可以被布置在控制部分202和光电转换部分201之间或者光电转换元件101和像素信号处理部分102之间，以切换电连接。类似地，供应到控制部分202的高电势VH或供应到光电转换部分201的低电势VL的供应可以通过使用诸如晶体管之类的开关被电切换。
图3是根据本示例性实施例的光检测设备10的截面示意图。在本示例性实施例中，光电转换部分201中生成的电荷对中用作信号电荷的电荷的极性被称为“第一导电类型”。而且，与第一导电类型相反的导电类型被称为“第二导电类型”。在本示例性实施例的描述中，例如，第一导电类型的电荷是电子，并且与第一导电类型相反的第二导电类型的电荷是空穴。但是，第二导电类型的电荷可以是电子，并且第一导电类型的电荷可以是空穴。
半导体基板11具有彼此相对的第一表面和第二表面。例如，第一表面是半导体基板11的正面(obverse)侧，并且第二表面是半导体基板11的相反(reverse)侧。此外，在本示例性实施例的描述中，深度方向从第一表面延伸到第二表面。
信号电荷为多数载流子的N型半导体区域1(第一半导体区域)被定位在半导体基板11的第一表面侧。P型半导体区域2(第二半导体区域)被定位在相对于半导体基板11的第一表面比N型半导体区域1深的位置处。N型半导体区域1和P型半导体区域2构造PN结，因而配置光电转换部分201。充当关于供应到P型半导体区域2的电势的反向偏置的电势被供应到N型半导体区域1。以这种方式向光电转换部分201供应反向偏置使PN结中的N型半导体区域1和P型半导体区域2之间出现电场。
在本示例性实施例中，以以下方式设定N型半导体区域1与P型半导体区域2之间的电势差：在构造PN结的N型半导体区域1与P型半导体区域2之间出现的电场变得充分大。本文所使用的术语“充分大”意味着受电场影响的电子生成雪崩放大的巨大(largeness)。换言之，以以下方式设定N型半导体区域1与P型半导体区域2之间的电势差：光电转换部分201实现充当雪崩二极管(APD或SPAD)的操作。
N型半导体区域1的杂质浓度被设定为使得当带来雪崩放大的电势差被供应到PN结时N型半导体区域1的每个区域不被耗尽的杂质浓度。
更具体地，N型半导体区域1的杂质浓度为6.0×1018[atms/cm3]或更大，并且P型半导体区域2的杂质浓度为5.0×1016[atms/cm3]或更大。这是因为，如果耗尽层区域扩展到与半导体基板11的第一表面接触的程度，则可能在半导体基板11的第一表面处出现噪声。但是，这些杂质浓度不是限制性的。
此外，特别地，以光电转换部分201实现充当雪崩二极管(APD或SPAD)的操作的方式设定的、N型半导体区域1与P型半导体区域2之间的上述电势差是6V或更高。
考虑到上述杂质浓度关系，更期望N型半导体区域1与P型半导体区域2之间的电势差是10V或更高，并且N型半导体区域1与P型半导体区域2之间的电势差是30V或更低。此时，例如，等于或高于10V、且等于或低于30V的电势被供应到N型半导体区域1，并且等于或高于-10V、且等于或低于0V的电势被供应到P型半导体区域2。但是，只要电势差是6V或更高，这些电势就不是限制。
在图3中，P型半导体区域2是例如具有均匀杂质浓度的区域。但是，P型半导体区域2可以以如下方式而具有杂质浓度的梯度：具有其中电荷移动到半导体基板11的第一表面侧的电势结构。
例如，P型半导体区域2可以具有以下杂质浓度的梯度：其中杂质浓度相对于第一表面从深位置向浅位置变得更低。此时，例如，P型半导体区域2具有第一区域、被定位在相对于第一表面比第一区域深的位置的第二区域、以及被定位在相对于第一表面比第一区域和第二区域深的位置的第三区域。然后，当第一区域具有第一杂质浓度时，第二区域具有低于第一杂质浓度的第二杂质浓度。然后，第三区域具有高于第一杂质浓度和第二杂质浓度的第三杂质浓度。但是，第三区域可以具有低于第一杂质浓度并且高于第二杂质浓度的第三杂质浓度。
根据这样的配置，P型半导体区域2以以下方式具有杂质浓度的梯度：具有其中电荷移动到半导体基板11的第一表面侧的电势结构。此外，第三区域使得能够限制当多个像素被布置在相同半导体基板11上时可以在像素处生成的泄漏电荷。而且，PN结中的P型半导体区域2的杂质浓度高于相对于半导体基板11的第一表面比PN结深的区域的杂质浓度。这使得能够通过缩窄PN结中的耗尽层的宽度而增加在PN结的接合部分中出现的电场的强度。
此外，不希望P型半导体区域被定位在相对于第一表面比N型半导体区域1浅并且在平面图中与N型半导体区域1重叠的位置处。该配置使得能够防止在半导体基板11的表面处生成的不想要的电荷经历雪崩放大。
P型半导体区域3(第四半导体区域)与P型半导体区域2电连接。P型半导体区域3的杂质浓度高于P型半导体区域2的杂质浓度。这样，连接P型半导体区域3和接触插头14能够使得接触电阻比连接P型半导体区域2和接触插头14低。但是，接触插头14可以被定位在P型半导体区域2处而不涉及P型半导体区域3。
期望P型半导体区域2被定位在电介质构件7和P型半导体区域3之间。这是因为，如果P型半导体区域3和电介质构件7彼此接触，则在P型半导体区域3与电极6之间出现电场集中。
用埋入半导体基板11中的电极6和电介质构件7形成埋入部分12。埋入部分12被定位为从半导体基板11的第一表面延伸到比第N型半导体区域1所定位的位置深的位置。此时，在比由N型半导体区域1与P型半导体区域2之间的PN结形成的耗尽层区域深的位置中形成埋入部分12。
电介质构件7被定位在电极6和半导体基板11之间。此外，电介质构件7的第一部分与N型半导体区域1接触，并且电介质构件7的第二部分与P型半导体区域2接触。埋入部分12配置有例如沟槽结构(深沟槽隔离(DTI))。
用于电极6的材料是例如N型或P型掺杂多晶硅或金属材料。用于电介质构件7的材料是例如二氧化硅膜、氮化硅膜或包括固定电荷的电介质膜。包括固定电荷的电介质膜的示例包括二氧化铪(HfO2)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)和氧化钽((Ta2O5))。
描述当包含固定电荷的材料用于电介质构件7时的电极6与P型半导体区域2之间的电势差与当不包含固定电荷的材料用于电介质构件7时的电极6与P型半导体区域2之间的电势差相同的情况。此时，如果使用包含固定电荷的材料，则在电极6与P型半导体区域2之间出现的电场强度可以更多地增加。换言之，在电极6与P型半导体区域2之间的电场强度被设定为预定值的情况下，如果包含固定电荷的材料用于电介质构件7，则电极6与P型半导体区域2之间的电势差可以降低。因而，可以达到低电压配置。
此外，在能够吸收或反射近红外光或可见光的材料用作电极6的材料的情况下，可以防止在雪崩放大出现时生成的光进入周围像素。
高于P型半导体区域2的电势的电势被供应电极6。这样，在电极6与P型半导体区域2之间出现电场。受到电极6与P型半导体区域2之间的电场的影响并且与电极6的侧表面上的电介质构件7接触的区域在下文中被称为“埋入部分12的侧表面附近的半导体区域”。
此外，当信号电荷是空穴时，由于与P型半导体区域2对应的区域是N型半导体区域，因此低于与P型半导体区域2对应的N型半导体区域的电势的电势被供应到电极6。
根据该电场，如图3中所示的点划线(dashed-dotted line)箭头所指示的，在半导体基板11的深部处生成的光载流子(电子)移动到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域。下面参照图4A、图4B和图4C描述详细原因。此外，半导体基板11的深部指的是例如被定位在P型半导体区域2中比PN结深的位置中的区域(例如，上述第二区域)，P型半导体区域2被定位在N型半导体区域1下方。
此外，已经移动到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的电子移动到N型半导体区域1。可替代地，电子在埋入部分12的侧表面附近的半导体区域处带来雪崩放大。在下面参照图5描述原因。
接触插头14被连接到P型半导体区域3。接触插头15被连接到电极6。接触插头16被连接到N型半导体区域1。然后，布线部分5经由接触插头14向P型半导体区域3供应电势。布线部分8经由接触插头15向电极6供应电势。布线部分4经由接触插头16向N型半导体区域1供应电势。布线部分4被连接到图2中所示的控制部分202。这里，电连接到N型半导体区域1的布线部分4和电连接到电极6的布线部分8是不同的布线部分，但可以被配置为相同的布线部分以便减少布线的数量。
此外，虽然这里接触插头16被配置为直接连接到N型半导体区域1，但是可以设置与N型半导体区域1电连接的附加的N型半导体区域并且接触插头16可以在附加的N型半导体区域处形成。
图4A至图4C示出了电极6、电介质构件7和P型半导体区域2的能带结构。参照图4A至图4C描述在半导体基板11的深部处生成的电子被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的原因。
图4A至图4C示出沿图3中所示的线段CD截取的区域的能带图的示例。图4A和图4B是信号电荷为电子的情况下(电子放大型)的能带图，图4C是信号电荷为空穴的情况下(空穴放大型)的能带图。在图4A至图4C中，图示中的向下方向被假定为电势V的正方向。此外，在信号电荷具有相反极性的情况下，数学表达式或不等式中的不等号反转。
此外，电势Vt指示供应到电极6的电势，功函数(work function)φt指示电极6的功函数。电势V2指示供应到P型半导体区域2的电势，功函数φ2指示P型半导体区域2的功函数。而且，差值△Veff＝(φ2-φt)指示当电极6和P型半导体区域2彼此接触时的真空水平(vacuum level)的差异。
图4A是当电势Vt和电势V2被设定为相同电势时的能带图。电子被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的条件是，电极6的真空水平与P型半导体区域2的真空水平之间的差值△Veff＝(φ2-φt)变为正值。由于P型半导体区域2和电极6在相应的功函数中具有差异，因此在真空水平中出现差异。电子被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的、真空水平中的差异的条件变为数学不等式(1)。
(φ2-φt)≥0 (1)
根据数学不等式(1)，在埋入部分12的侧表面附近的半导体区域处生成的电子被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域。但是，为了将在半导体基板11的深部处生成的电子吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域，期望将电极6的电势设定为高于P型半导体区域2的电势。
接下来，图4B示出电极6的电势被设定为高于P型半导体区域2的电势的配置。在图4B中，在半导体基板11的深部处生成的电子被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的条件是数学不等式(2)。并且，数学表达式(3)是通过变换数学不等式(2)获得的不等式。
(Vt-φt)-(V2-φ2)≥0 (2)
(V2-φ2)≤(Vt-φt) (3)
在满足数学不等式(1)和数学不等式(3)的条件的情况下，与只满足数学不等式(1)的情况相比，电子更可能移动到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域。这是因为，在远离埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的区域中生成的电荷还被在电极6与P型半导体区域2之间出现的电场吸引。但是，如果电极6的电势被设定为等于或高于P型半导体区域2的电势，则产生这样的效果：电子被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域。
接下来，关于信号电荷是空穴的情况做出描述。在信号电荷是空穴的情况下，与P型半导体区域2对应的区域是N型半导体区域。因此，沿着图3中所示的线段CD截取的区域的能带图是图4C。在图4C中，为了允许在半导体基板11的深部处生成的空穴被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域，要供应到电极6的电势被设定为比要供应到对应于P型半导体区域2的N型半导体区域的电势低的电势。但是，如果电极6的电势被设定为等于或低于对应于P型半导体区域2的N型半导体区域的电势，则产生这样的效果：空穴被引吸到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域。
图5示出用于描述在半导体基板11的深部处生成的信号电荷的移动路径的电势结构。图5是图3的截面示意图中所示的线段EH中的电势结构图的示例。这里，示出从充当信号电荷的电子观察的电势。此外，在信号电荷为空穴的情况下，电势方向反转。在假设满足以上数学不等式(3)的条件的情况下描述图5。在图5的描述中，电势V1指示供应到N型半导体区域1的电势，并且功函数φ1指示N型半导体区域1的功函数。
图5示出线段EH中的电势结构的示例。在图5中，虚线17是在满足数学不等式(4)的条件的情况下的线段EH中的电势结构，并且实线18是在满足数学不等式(5)的条件的情况下的线段EH中的电势结构。
(V2-φ2)≤(Vt-φt)<(V1-φ1) (4)
(V2-φ2)<(V1-φ1)≤(Vt-φt) (5)
此外，参照图5，位置(E、F、G和H)的定义以及电势高度(XH电平、H电平、L电平和XL电平)的定义被描述如下。
位置E是属于P型半导体区域2的位置，并且也是远离电极6的侧表面的可选位置。位置F是埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的位置。位置G是P型半导体区域2与N型半导体区域1之间的PN结区域附近的位置。位置H是属于N型半导体区域1的位置。
XH电平的电势高度指示P型半导体区域2的电势高度。H电平的电势高度指示在满足数学不等式(4)的条件的情况下的埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的电势高度。L电平的电势高度指示在满足数学不等式(5)的条件的情况下的埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的电势高度或者在满足数学不等式(4)的条件的情况下的PN结区域附近的电势高度。XL电平的电势高度指示N型半导体区域1的电势高度。
在虚线17中，大约XH电平的电势高度在从位置E到位置F前面的位置的间隔中持续。当位置更靠近位置F时，电势高度从XH电平逐渐降低并且到达H电平的电势高度。在从位置F到位置G前面的位置的间隔中，大约H电平的电势高度持续。当位置更靠近位置G时，电势高度从H电平急剧降低并到达L电平的电势高度。在从位置G到位置H的间隔中，电势高度从L电平降低到XL电平。
当由虚线17指示的那样满足数学不等式(4)的条件时，在远离埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的P型半导体区域2处生成的电子通过电场被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域。
埋入部分12的侧表面附近的半导体区域配置有P型半导体区域2。因此，在P型半导体区域2具有杂质浓度的梯度的情况下，已经移动到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的电荷通过埋入部分12的侧表面附近的半导体区域向N型半导体区域1移动。当电子靠近N型半导体区域1时，电子接收比位置F中的电场强的电场，并因而带来雪崩放大。
此外，参照图5，位置F处的电势高度变得低于位置E处的电势高度。这指示，与远离埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的P型半导体区域2处相比，由于埋入部分12的侧表面附近的半导体区域处的电场，所以电势高度变得更低。
类似地，位置G处的电势高度变得低于位置F处的电势高度。这指示，在埋入部分12的侧表面附近的半导体区域中，电势高度在半导体基板11的浅部处与在其深部处相比逐渐变得更低。换言之，这指示P型半导体区域2具有杂质浓度的梯度。
接下来，在实线18中，在从位置E到位置F前面的位置的间隔中，电势高度从XH电平降低到H电平。当位置更靠近位置F时，电势高度从H电平急剧降低并到达L电平的电势高度。当位置经过位置F时，电势高度从L电平降低到XL电平。然后，在位置G和H处，XL电平的电势高度持续。
当如由实线18指示的那样满足数学不等式(5)的条件时，在被定位在埋入部分12的侧表面附近的半导体区域中的P型半导体区域2处形成反型层。此时形成的反型层电连接到N型半导体区域1。特别地，在要供应到电极6的电势Vt充分大并且反型层由于与P型半导体区域2的电势差大而处于强反转条件的情况下，高浓度电子在反型层处聚集。因此，在实线18的情况下，P型半导体区域2不需要具有杂质浓度的梯度。
如上所述，N型半导体区域1和电介质构件7的一部分彼此接触。因此，反型层和N型半导体区域1彼此电连接并且具有相同的电势，并且形成于埋入部分12的侧表面附近的半导体区域处的反型层的电势高度变得等于N型半导体区域1的电势高度。
在实线18中，在相对于半导体基板11的第一表面的深位置处生成的电子从远离埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的P型半导体区域2(位置E)被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域(位置F)。这是由比在埋入部分12与P型半导体区域2之间出现的电场弱的电场导致的。当电荷更靠近埋入部分12的侧表面附近的半导体区域(位置F)时，电荷接收比位置E中的电场强的电场，并由此带来雪崩放大。
换言之，通过在反型层和P型半导体区域2之间出现的强电场而在反型层处导致雪崩放大。此时生成的雪崩电流经由反型层在N型半导体区域1中流动。然后，电流作为信号经由被连接到图2中所示的控制部分202的布线部分4被输出。
如上所述，当满足数学不等式(5)时，导致雪崩放大的强电场不仅是半导体基板11的第一表面附近的PN结的强电场，而且是在埋入部分12的侧表面附近的半导体区域处生成并且与电介质构件7接触的反型层、与P型半导体区域2之间出现的强电场。
根据由虚线17指示的偏置条件，在半导体基板11的深部处生成的电荷移动到在半导体基板11的第一表面附近出现的PN结所需要的时间长度可以降低，使得可以降低检测电荷所需要的时间长度。
此外，根据由实线18指示的偏置条件，在埋入部分12的侧表面附近的半导体区域处引起的反型层与N型半导体区域1电连接。因此，反型层和N型半导体区域1具有相同的电势。然后，在半导体基板11的深部处生成的电荷可以在不移动到被定位在半导体基板11的第一表面附近的PN结的情况下，在埋入部分12的侧表面附近的半导体区域处带来雪崩放大。因此，与由虚线17指示的相比，检测电荷所需要的时间长度更多地降低。
而且，在实线18的情况下，由于在反型层和P型半导体区域2之间出现强电场，因此施加到被定位在电极6与P型半导体区域2之间的电介质构件7的有效电势变为大约“(Vt-φt)-(V1-φ1)”。这样的配置使得能够生成强电场，同时防止电介质构件7的电介质击穿。
此外，在日本专利申请公开No.2014-225647中所讨论的常规配置中，构造PN结的N型半导体区域不与包含于埋入部分中的电介质构件电连接。在这种情况下，即使在构造PN结的P型半导体区域与埋入部分之间施加电场，在半导体基板的深部处生成的电荷也不能被高效地吸引到带来雪崩放大的PN结区域。而且，在半导体基板的深部处，在被定位在半导体基板的第一表面侧的PN结区域处出现的强电场在电场上变弱。
因此，由于在半导体基板的深部处生成的信号电荷不是通过漂移而是通过扩散而在半导体基板周围随机移动，因此电荷的检测可能变得耗时。
接下来，参照图6中所示的光检测频率分布图，使用在日本专利申请公开No.2014-225647中讨论的常规配置的光检测设备与根据本示例性实施例的光检测设备10被彼此比较。图6示出光响应性能(关于时间分散的性能)，该光响应性能指示电荷的检测量相对于检测在半导体基板11处生成的电荷所需要的时间长度。图6中的横坐标轴指示从光电转换元件101接收光子时直到完成信号检测时的时间。纵坐标轴指示当光入射时生成的电荷对中的信号电荷的、关于时间的电荷检测量的统计概率分布。
虚线19指示通过使用上述常规结构的光检测设备的信号电荷的检测频率分布。实线20指示通过使用根据本示例性实施例的配置的光检测设备10的信号电荷的检测频率分布。此外，在图6中，模式值的顶峰(peak)的宽度包括例如由读取信号定时的像素信号处理部分102导致的误差。
虚线19在时刻T1出现顶峰。此后，在所需要的时间增加的方向上(在图的右手侧)，持续长地显现频率分布的平缓梯度的部分。该部分通常称为“扩散尾(DT)”。DT可以归因于关于在半导体基板的浅部处生成的电荷以大的时间滞后检测的、在半导体基板的深部处生成的电荷，该电荷随着时间到达被定位在半导体基板11的第一表面附近的PN结。
在检测使电荷在深部处生成的波长带的光(在前表面照射类型的情况下的红外光，以及后表面照射类型的情况下的从短波长到长波长的所有波长)时，DT变得特别显著。此外，这里，前表面照射类型允许光落在第一表面上，并且后表面照射类型允许光落在第二表面上。
以这种方式，在虚线19的情况下，在半导体基板11的深部处生成的信号电荷的检测可能是耗时的。因此，在接收其中在半导体基板的深部处生成电荷的概率不可忽略的波长的光的情况下，从接收光直到完成信号电荷的检测为止的时间滞后有时可能变长，使得光检测的时间分辨率可能降低。
另一方面，由实线20指示的频率分布在作为时刻T1之前的时刻的时刻T0具有模式值的顶峰。此外，模式值的顶峰是比虚线19中的顶峰高的顶峰。而且，在实线20中，DT的宽度的延伸小。
这是因为，由于在实线20的情况下半导体基板11中的电荷的检测速度比在虚线19的情况下高，因此，在虚线19的情况下电荷到达被定位在表面层附近的PN结区域所需要的时间长度可以降低。
因此，在实线20的情况下，可以在大约时刻T0检测在虚线19的情况下将在时刻T1或之后检测的电荷，并且在大约时刻T0检测的电荷的量也增加。
并且，在实线20的情况下，与虚线19的情况相比，可以减少检测在半导体基板11的深部处生成的电荷所需要的时间长度，使得可以限制DT的宽度的延伸。
如上所述，与常规的光检测设备相比，使用根据本示例性实施例的光检测设备10使得能够减少检测在半导体基板11的深部处生成的电荷所需要的时间长度。从而，可以限制在半导体基板11的第一表面处生成的电荷与在半导体基板11的深部处生成的电荷之间的电荷检测所需要的时间的分散。
此外，在本示例性实施例中可以采用前表面照射类型和后表面照射类型中的任何一种。在前表面照射类型的情况下，当红外光入射时，在半导体基板11的第一表面处生成的电荷与在半导体基板11的深部处生成的电荷之间的电荷检测所需要的时间的分散被显著地限制。在后表面照射类型的情况下，当蓝色光入射时，在半导体基板11的第一表面处生成的电荷与在半导体基板11的深部处生成的电荷之间的电荷检测所需要的时间的分散被显著地限制。
图14是根据第二示例性实施例的光检测设备10的截面示意图。与图3中相同的附图标记指示各个相同的部件。在第一示例性实施例中描述的详情也适用于第二示例性实施例。第二示例性实施例与第一示例性实施例的不同之处在于，N型半导体区域1不与埋入部分12接触。
电介质构件7被定位在电极6和半导体基板11之间，并且电介质构件7与P型半导体区域2接触。埋入部分12配置有例如由沟槽结构(深沟槽隔离(DTI))。此外，N型半导体区域1和电介质构件7之间的距离d是0.1μm或更小。N型半导体区域1和电介质构件7不一定需要彼此分离，但N型半导体区域1和电介质构件7可以彼此接触。
比用于P型半导体区域2的电势高的电势被供应到电极6。这样，在电极6与P型半导体区域2之间出现电场。在受电极6与P型半导体区域2之间的电场影响并与电极6的侧表面上的电介质构件7接触的区域(下文称为“埋入部分12的侧表面附近的半导体区域”)处形成反型层26。下面描述形成反型层26的条件。
此外，当信号电荷是空穴时，由于与P型半导体区域2对应的区域是N型半导体区域，因此比用于对应于P型半导体区域2的N型半导体区域的电势低的电势被供应到电极6。
根据该电场，如图14中所示的虚线箭头所指示，在半导体基板11的深部处生成的光载流子(电子)移动到反型层26。下面参照图15A、图15B和图15C描述详细原因。此外，半导体基板11的深部例如指的是被定位在P型半导体区域2中比PN结深的位置中的区域(例如，上述第二区域)，P型半导体区域2被定位在N型半导体区域1下方。
此外，已经移动到反型层26的电子在反型层26处带来雪崩放大。下面参照图16描述原因。
图15A至图15C示出电极6、电介质构件7和P型半导体区域2的能带结构。参照图15A至图15C描述在半导体基板11的深部处生成的电子被吸引到反型层26的原因。
图15A至图15C示出沿图14中所示的线段CD截取的区域的能带图的示例。图15A和图15B是信号电荷为电子的情况下(电子放大型)的能带图，并且图15C是信号电荷为空穴的情况下(空穴放大型)的能带图。在图15A至图15C中，图示中的向下方向被假定为电势V的正方向。此外，在信号电荷具有相反极性的情况下，数学不等式中的不等号反转。
此外，电势Vt指示供应到电极6的电势，并且功函数φt指示电极6的功函数。电势V2指示供应到P型半导体区域2的电势，并且功函数φ2指示P型半导体区域2的功函数。而且，差值△Veff＝(φ2-φt)指示当电极6和P型半导体区域2彼此接触时的真空水平的差异。
图15A是当电势Vt和电势V2被设定为相同电势时的能带图。电子被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的条件是，电极6的真空水平与P型半导体区域2的真空水平之间的差值△Veff变为正值。由于P型半导体区域2和电极6在相应的功函数中具有差异，因此在真空水平中出现差异。电子被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的、真空水平的差异的条件变为数学不等式(1)。
(φ2-φt)≥0 (1)
根据数学不等式(1)，在埋入部分12的侧表面附近的半导体区域处生成的电子被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域。但是，为了将在半导体基板11的深部处生成的电子吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域，期望将电极6的电势设定为高于P型半导体区域2的电势。
接下来，图15B示出电极6的电势被设定为高于P型半导体区域2的电势的配置。在图15B中，在半导体基板11的深部处生成的电子被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的条件是数学不等式(2)。此外，数学表达式(3)是通过变换数学不等式(2)获得的不等式。
(Vt-φt)-(V2-φ2)≥0 (2)
(V2-φ2)≤(Vt-φt) (3)
在满足数学不等式(1)和数学不等式(3)的条件的情况下，与只满足数学不等式(1)的情况相比，电子更可能移动到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域。这是因为，在远离埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的区域中生成的电子还被在电极6与P型半导体区域2之间出现的电场吸引。
接下来，关于信号电荷是空穴的情况做出说明。在信号电荷是空穴的情况下，与P型半导体区域2对应的区域是N型半导体区域。因此，沿着图14中所示的线段CD截取的区域的能带图是图15C。在图15C中，为了允许在半导体基板11的深部处生成的空穴被吸引到埋入部分12的侧表面附近的半导体区域，要供应到电极6的电势被设定为比要供应到对应于P型半导体区域2的N型半导体区域的电势低的电势。
图16示出用于描述在半导体基板11的深部处生成的信号电荷的移动路径的电势结构。图16是图14的截面示意图中所示的线段EH中的电势结构图的示例。这里，示出从充当信号电荷的电子观察的电势。此外，在信号电荷是空穴的情况下，电势方向反转。在假设满足以上数学不等式(3)的条件的情况下描述图16。在图16的描述中，电势V1指示供应到N型半导体区域1的电势，并且功函数φ1指示N型半导体区域1的功函数。
图16示出线段EH中的电势结构的示例。在图16中，实线18是在满足数学不等式(5)的条件的情况下线段EH中的电势结构。此时，电极6的电势Vt高于N型半导体区域1的电势V1，并且电极6的电势Vt和N型半导体区域1的电势V1各自高于P型半导体区域2的电势V2。换言之，电极6与P型半导体区域2之间的电势差大于N型半导体区域1与P型半导体区域2之间的电势差。在该偏置条件下，在埋入部分12的侧表面附近的半导体区域处形成反型层26。
(V2-φ2)<(V1-φ1)≤(Vt-φt) (5)
此外，参照图16，位置(E、F、G和H)的定义以及电势高度(XH电平、L电平和XL电平)的定义被描述如下。
位置E是属于P型半导体区域2的位置，并且也是远离电极6的侧表面的可选位置。位置F是形成反型层26的位置。位置G是P型半导体区域2与N型半导体区域1之间的PN结区域附近的位置。位置H是属于N型半导体区域1的位置。
XH电平的电势高度指示P型半导体区域2的电势高度。L电平的电势高度指示反型层26的电势高度。XL电平的电势高度指示N型半导体区域1的电势高度。
在实线18中，在从位置E到位置F前面的位置的间隔中，电势高度从XH电平逐渐降低。当位置更靠近位置F时，电势高度急剧降低并到达L电平的电势高度。当位置经过位置F时，电势高度从L电平降低到XL电平。然后，在位置G和H处，XL电平的电势高度持续。
当如实线18所指示的那样满足数学不等式(5)的条件时，在被定位在埋入部分12的侧表面附近的半导体区域中的P型半导体区域2处形成反型层26。此时形成的反型层26与N型半导体区域1电连接。特别地，在供应到电极6的电势Vt充分大且反型层26由于与P型半导体区域2的电势差大而处于强反转条件的情况下，高度集中的电子在反型层26处聚集。
如上所述，期望N型半导体区域1和电介质构件7之间的距离d被设定为0.1μm或更小。然后，以以下方式控制供应到N型半导体区域1的电势和供应到电极6的电势：使反型层26的宽度变为距离d或更大。因此，反型层26和N型半导体区域1彼此电连接并具有相同的电势，并且反型层26的电势高度变得等于N型半导体区域1的电势高度。
在实线18中，在相对于半导体基板11的第一表面的深位置处生成的电子从远离反型层26的P型半导体区域2(位置E)被吸引到反型层26(位置F)。当电荷更靠近反型层26(位置F)时，电荷接收比位置E中的电场强的电场，并因而带来雪崩放大。换言之，通过在反型层26与P型半导体区域2之间出现的强电场，在反型层26处导致雪崩放大。此时生成的雪崩电流经由反型层26在N型半导体区域1中流动。然后，电流作为信号经由被连接到图2所示的控制部分202的布线部分4被输出。
如上所述，当满足数学不等式(5)时，导致雪崩放大的强电场不仅是半导体基板11的第一表面侧的PN结的强电场，而且是在反型层26与P型半导体区域2之间出现的强电场。因此，根据数学不等式(5)所指示的偏置条件，反型层26与N型半导体区域1彼此电连接，并且反型层26与N型半导体区域1具有相同的电势。然后，在半导体基板11的深部处生成的电荷可以在不移动到被定位在半导体基板11的第一表面附近的PN结的情况下在反型层26处带来雪崩放大。
并且，在实线18的情况下，由于在反型层26与P型半导体区域2之间出现强电场，因此电介质构件7变得不依赖于电势V2，并且，施加到被定位在电极6与P型半导体区域2之间的电介质构件7的有效电势变为大约“(Vt-φt)-(V1-φ1)”。这样的配置使得能够生成强电场，同时防止电介质构件7的电介质击穿。
关于图17中所示的第二示例性实施例中的光响应性能的描述与图6中所示的第一示例性实施例中的描述类似，并因此被省略。
(示例1)
图7A和图7B分别是根据示例1的光检测设备10的平面示意图和截面图。具有与图1至图6中所示的部分类似的功能的部分被分配了相应的相同附图标记，并且省略其详细描述。
图7A是根据示例1的光检测设备10的平面示意图。在光检测设备10中，N型半导体区域1、电介质构件7、电极6、P型半导体区域2和P型半导体区域3被布置在半导体基板11中。
在平面图中，N型半导体区域1以被埋入部分12包围的方式被布置，并且埋入部分12以被P型半导体区域2包围的方式被布置。
参照图7A，在平面图中，N型半导体区域1与P型半导体区域2之间的所有区域充当埋入部分12。但是，埋入部分12可以被配置为不被设置在N型半导体区域1与P型半导体区域2之间的区域的一部分处，并且，N型半导体区域1与P型半导体区域2可以被配置为在不设置埋入部分12的部分处彼此接触。
在这种情况下，可能在N型半导体区域1的端部与P型半导体区域2之间出现电场集中。因此，期望在构造N型半导体区域1的端部的、N型半导体区域1的侧表面和底表面的一部分处设置保护环。设置保护环使得能够限制在端部处出现的电场集中。例如，保护环配置有杂质浓度低于N型半导体区域1的N型半导体区域或元件隔离部分。这也适用于以下示例。
在埋入部分12中，在平面图中，电极6以被两个电介质构件7包围的方式被布置。
在平面图中，P型半导体区域3以与P型半导体区域2电连接的方式被布置。而且，只要P型半导体区域3与P型半导体区域2电连接，P型半导体区域3就可以被布置在半导体基板11的第二表面侧。
此外，期望N型半导体区域1如本示例中那样以其拐角(corner)是圆形(rounded)的方式被布置。根据这样的形状，将在拐角处生成的电场集中可以受到限制。
图7B是沿图7A中的线段A-B截取的光检测设备10的截面示意图的示例。参照图7B，描述与图3中的部分不同的部分。
在图7B中，埋入部分12以包围关于N型半导体区域1被定位在半导体基板11的深度方向上的P型半导体区域2的一部分的方式被布置。根据这样的配置，埋入部分12的电介质构件7和P型半导体区域2彼此接触的表面积变大。从而，在半导体基板11的深部处生成的电荷被引吸到的、埋入部分12的侧表面附近的半导体区域的表面积增加。而且，在布置多个光电转换元件101的情况下，可以限制电荷向周围的光电转换元件101的扩散运动。此时，可以限制像素之间的电荷颜色混合。
在图7B中，埋入部分12包括作为关于第一表面被定位在最深位置中的区域的底部24、与P型半导体区域2接触的侧表面以及与底部24和侧表面连接的端部25。此外，N型半导体区域9(第三半导体区域)以与底部24和端部25接触的方式被布置。
根据这样的配置，当向电极6供应电势时，将在端部25处出现的电场集中可以被限制。从而，由例如经由电场集中部分处的杂质水平的隧穿电流的增加导致的暗信号的增加可以被限制。
即使用本示例的配置，也可以减少检测在半导体基板11的深部处生成的电荷所需要的时间长度。
(示例2)
图8A和8B分别是根据示例2的光检测设备10的平面示意图和截面图。具有与图1至图7A和图7B中所示的部分类似的功能的部分被分配了相应的相同附图标记，并且省略其详细描述。
图8A是根据示例2的光检测设备10的平面示意图。图8A与图7A的不同在于，P型半导体区域3不被布置在半导体基板11的第一表面侧。
图8B是沿图8A中的线段JK截取的截面示意图。图8B与图7B的不同在于，埋入部分12被布置为从半导体基板11的第一表面延伸到半导体基板11的第二表面。在图8B中，电极6和电介质构件7被布置为从半导体基板11的第一表面延伸到半导体基板11的第二表面。
根据这样的配置，在布置多个光电转换元件101的情况下，可以提高每个光电转换元件101的隔离性能。从而，可以限制电荷的颜色混合以及由雪崩光发射导致的颜色混合。
此外，参照图8B，用于向与N型半导体区域1一起构造PN结的P型半导体区域2供应电势的P型半导体区域3被布置在半导体基板11的第二表面侧，并且接触插头14和布线部分5被布置在半导体基板11的第二表面上。然后，经由半导体基板11的第二表面侧，供应要供应到P型半导体区域2和P型半导体区域3的电势。
根据这样的配置，P型半导体区域3不需要被布置在半导体基板11的第一表面侧以便连接用于向P型半导体区域2供应电势的接触插头。从而，可以减少光电转换元件101的面积，并且可以增加像素100的密度。
即使用本示例的配置，也可以减少检测在半导体基板11的深部处生成的电荷所需要的时间长度。
(示例3)
图9是根据示例3的光检测设备10的平面示意图。具有与图1至图8A和图8B中所示的部分类似的功能的部分被分配了相应的相同附图标记，并且省略其详细描述。
图9在埋入部分12的定位上与图7A不同。在图9中，在平面图中，N型半导体区域1具有凹陷部分，并且N型半导体区域1以被P型半导体区域2包围的方式被布置。此外，在平面图中，埋入部分12的至少一部分被定位在凹陷部分中。
在图9中，只要埋入部分12的一部分与N型半导体区域1接触，埋入部分12的形状就可以自由扩展，以便在更宽的平面区域中收集在深部处生成的光载流子。此外，在本示例中，可以布置多个埋入部分12。
即使用本示例的配置，也可以减少检测在半导体基板11的深部处生成的电荷所需要的时间长度。本示例也可以应用于其他示例。
(示例4)
图10和图11是根据示例4的光检测设备10的平面示意图。具有与图1至图9中所示的部分类似的功能的部分被分配了相应的相同附图标记，并且省略其详细描述。
在图10中，在平面图中，埋入部分12以被N型半导体区域1包围的方式被布置，并且N型半导体区域1以被P型半导体区域2包围的方式被布置。
作为图10的修改的图11示出在平面图中多个埋入部分12被N型半导体区域1包围的配置。根据这样的配置，与图10相比，检测在半导体基板11的深部处生成的电荷所需要的时间长度可以进一步减少。
即使用本示例的配置，也可以减少检测在半导体基板11的深部处生成的电荷所需要的时间长度。本示例也可以应用于其他示例。
(示例5)
图18A和图18B分别是根据示例5的光检测设备10的平面示意图和截面图。具有与上述示图中所示的部分类似的功能的部分被分配了相应的相同附图标记，并且省略其详细描述。
图18A是根据示例5的光检测设备10的平面示意图。在光检测设备10中，N型半导体区域1、电介质构件7、电极6、P型半导体区域2和P型半导体区域3被布置在半导体基板11中。
在平面图中，P型半导体区域2具有第一区域2A和第二区域2B，并且N型半导体区域1以被第一区域2A包围的方式被布置。此外，在平面图中，第一区域2A以被埋入部分12包围的方式被布置，并且埋入部分12以被第二区域2B包围的方式被布置。
这里，虽然在平面图中埋入部分12以跨第一区域2A包围N型半导体区域1的整个周边(circumference)的方式被布置，但是埋入部分12可以只需要包围N型半导体区域1的周边的至少一部分。例如，埋入部分12可以被配置为在第一区域2A与第二区域2B之间的空间的一部分处不被设置，并且N型半导体区域1和P型半导体区域2可以被配置为在不设置埋入部分12的部分处彼此接触。
在这种情况下，可以在N型半导体区域1的端部与P型半导体区域2之间出现电场集中。因此，期望在构造N型半导体区域1的端部的、N型半导体区域1的侧表面和底表面的一部分处设置保护环。设置保护环使得能够限制在端部处出现的电场集中。例如，保护环配置有杂质浓度低于N型半导体区域1的N型半导体区域或元件隔离部分。这也适用于以下示例。在埋入部分12中，在平面图中，电极6以被两个电介质构件7包围的方式被布置。
在平面图中，P型半导体区域3以与P型半导体区域2电连接的方式被布置。而且，只要P型半导体区域3与P型半导体区域2电连接，P型半导体区域3就可以被布置在半导体基板11的第二表面侧。
此外，期望N型半导体区域1如本示例中那样以其拐角是圆形的方式被布置。根据这样的形状，将在拐角处出现的电场集中可以受到限制。
图18B是沿图18A中的线段A-B截取的光检测设备10的截面示意图的示例。参照图18B，描述与图14中的部分不同的部分。
在图18B中，埋入部分12以包围关于N型半导体区域1被定位在半导体基板11的深度方向上的P型半导体区域2的方式被布置。根据这样的配置，埋入部分12的电介质构件7和P型半导体区域2彼此接触处的表面积变大。从而，在半导体基板11的深部处生成的电荷被引吸到的反型层26的表面积增加。而且，在布置多个光电转换元件101的情况下，可以限制电荷向周围的光电转换元件101的扩散运动。此时，可以限制像素之间的电荷颜色混合。
并且，在图18B中，埋入部分12包括作为关于第一表面被定位在最深位置中的区域的底部24、与P型半导体区域2接触的侧表面以及与底部24和侧表面连接的端部25。然后，N型半导体区域9(第三半导体区域)以与底部24和端部25接触的方式被布置。
根据这样的配置，当向电极6供应电势时，将在端部25处出现的电场集中可以被限制。从而，由例如经由电场集中部分处的杂质水平的隧穿电流的增加导致的暗信号的增加可以被限制。
即使用本示例的配置，也可以减少检测在半导体基板11的深部处生成的电荷所需要的时间长度。
(示例6)
图19A和图19B分别是根据示例6的光检测设备10的平面示意图和截面图。具有与上述示图中所示的部分类似的功能的部分被分配了相应的相同附图标记，并且省略其详细描述。
图19A是根据示例6的光检测设备10的平面示意图。图19A与图18A的不同之处在于，P型半导体区域3不被布置在半导体基板11的第一表面侧。
图19B是沿图19A中的线段JK截取的截面示意图。图19B与图18B的不同之处在于，埋入部分12布置为从半导体基板11的第一表面延伸到半导体基板11的第二表面。在图19B中，电极6和电介质构件7被布置为从半导体基板11的第一表面延伸到半导体基板11的第二表面。
根据这样的配置，在布置多个光电转换元件101的情况下，可以提高每个光电转换元件101的隔离性能。从而，可以限制电荷的颜色混合和由雪崩光发射导致的颜色混合。
此外，参照图19B，用于向与N型半导体区域1一起构造PN结的P型半导体区域2供应电势的P型半导体区域3被布置在半导体基板11的第二表面侧，并且接触插头14和布线部分5被布置在半导体基板11的第二表面上。然后，经由半导体基板11的第二表面侧，供应要供应到P型半导体区域2和P型半导体区域3的电势。
根据这样的配置，P型半导体区域3不需要被布置在半导体基板11的第一表面侧以便连接用于向P型半导体区域2供应电势的接触插头。从而，可以减少光电转换元件101的面积，并且可以增加像素100的密度。
即使用本示例的配置，也可以减少检测在半导体基板11的深部处生成的电荷所需要的时间长度。
(示例7)
图20是根据示例7的光检测设备10的平面示意图。具有与上述示图中所示的部分类似的功能的部分被分配了相应的相同附图标记，并且省略其详细描述。
图20在埋入部分12的定位上与图18A不同。在图20中，在平面图中，N型半导体区域1具有凹陷部分，并且N型半导体区域1以被P型半导体区域2包围的方式被布置。此外，在平面图中，埋入部分12以被P型半导体区域2包围的方式被布置，并且P型半导体区域2的一部分和埋入部分12的至少一部分被定位在凹陷部分中。
在图20中，只要埋入部分12的一部分能够与N型半导体区域1电连接，N型半导体区域1的凹陷部分和埋入部分12的形状就可自由扩展以便在更宽的平面区域中收集在半导体基板11的深部处生成的光载流子。并且，在本示例中，可以布置多个埋入部分12。
即使用本实施例的配置，也可以减少检测在半导体基板11的深部处生成的电荷所需要的时间长度。本示例也可以应用于其他示例。
(示例8)
图21和图22是根据示例8的光检测设备10的平面示意图。具有与上述示图中所示的部分类似的功能的部分被分配了相应的相同附图标记，并且省略其详细描述。
在图21中，在平面图中，P型半导体区域具有第一区域2A和第二区域2B。在平面图中，埋入部分12以被第一区域2A包围的方式被布置，并且第一区域2A以被N型半导体区域1包围的方式被布置。此外，在平面图中，N型半导体区域1以被第二区域2B包围的方式被布置。
即使用本示例的配置，也可以减少检测在半导体基板11的深部处生成的电荷所需要的时间长度。此外，根据本示例的配置，可以降低埋入部分12的平面面积。
作为图21的修改的图22示出布置多个图21中所示的埋入部分的配置。根据这样的配置，与图21相比，检测在半导体基板11的深部处生成的电荷所需要的时间长度可以进一步减少。本示例也可以被应用于其它示例。
(示例9)
在示例9中，描述使用根据每个示例的光检测设备10的光检测系统的示例。参照图12描述各自是光检测系统的示例的、不可见光检测系统和医疗诊断系统，诸如正电子发射断层摄影(PET)。具有与上述示图中所示的部分相似的功能的部分被分配了相应的相同附图标记，并且省略其详细描述。
图12是示出不可见光检测系统的配置的框图。不可见光检测系统包括波长转换单元1201、数据处理单元1207和多个光检测设备10。
放射物体1200照射充当不可见光的波段的光。波长转换单元1201接收从放射物体1200照射的充当不可见光的波段的光并照射可见光。
光电转换部分201接收从波长转换单元1201照射的可见光并对接收的光执行光电转换，并且，光检测设备10将基于光电转换的电荷并经由控制部分202、波形整形部分203和TDC 204生成的数字信号存储在存储器205中。多个光检测设备10可以形成为单个设备，或者可以用布置的多个设备形成。
存储在多个光检测设备10的存储器205中的多个数字信号经受由数据处理单元1207进行的信号处理。这里，信号处理包括从多个数字信号获得的多个图像的合成处理。
接下来，描述作为不可见光检测系统的具体示例的诸如正电子发射断层摄影(PET)之类的医疗诊断系统的配置。
充当放射物体1200的被检体从其活体发射放射线对。波长转换单元1201配置闪烁体(scintillator)，并且，闪烁体接收从被检体发射的放射线对，并然后放射可见光。
光电转换部分201接收从闪烁体照射的可见光并对接收的光执行光电转换，并且光检测设备10将基于光电转换的电荷并且经由控制部分202、波形整形部分203和TDC 204生成的数字信号存储在存储器205中。换言之，光检测设备10被布置为检测从被检体发射的放射线对的到达时间，检测从闪烁体照射的可见光并将数字信号存储在存储器205中。
存储在多个光检测设备10的存储器205中的多个数字信号经受由数据处理单元1207进行的信号处理。这里，信号处理包括使用从多个数字信号获得的多个图像并因而形成被检体的活体的内部的图像的合成处理(诸如图像重构)。
(示例10)
在示例10中，描述使用根据每个示例的光检测设备10的光检测系统的示例。在本示例中，参照图13描述作为光检测系统的示例的距离检测系统。具有与上述示图中所示的部分类似的功能部分被分配了相应的相同附图标记，并且省略其详细描述。
图13是根据本示例的距离检测系统的框图的示例。距离检测系统包括光源控制单元1301、发光单元1302、光学构件1303、光检测设备10和距离计算单元1309。
光源控制单元1301控制发光单元1302的驱动。当从光源控制单元1301接收信号时，发光单元1302在拍摄方向上照射短脉冲(队列(train))的光。
从发光单元1302放射的光被物体1304反射。反射光通过光学构件1303，并然后被光检测设备10的光电转换部分201接收，并且，基于光电转换的电荷的信号经由波形整形部分203被输入到TDC204。
TDC 204比较从光源控制单元1301获得的信号与从波形整形部分203输入的信号。然后，TDC 204对从发光单元1302发射脉冲光时直到来自物体1304的反射光被接收为止所需要的时间执行高精度数字转换。从TDC 204输出的数字信号被存储在存储器205中。
距离计算单元1309基于通过多个检测操作获得并存储在存储器205中的数字信号计算从光检测设备10到物体1304的距离。
上述距离检测系统可以被应用于例如车辆装备。
虽然已参照示例性实施例描述了本公开，但应理解，本公开不限于公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最广泛的解释以便涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (21)

1.一种光检测设备，其特征在于，该光检测设备包括：
半导体基板，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；
光电转换部分，具有配置有第一半导体区域和导电类型与第一半导体区域的导电类型不同的第二半导体区域的PN结；
导电类型与第二半导体区域的导电类型相同的第三半导体区域(3)，第三半导体区域与第二半导体区域(2)电连接；以及
埋入部分，埋入半导体基板中并且包含电极和被定位在电极与半导体基板之间且与第二半导体区域接触的电介质构件，
其中，第二半导体区域被定位在关于第一表面比第一半导体区域深的位置中，
其中，埋入部分被定位为从第一表面延伸到关于第一表面比第一半导体区域深的位置，
其中，以在电极与第二半导体区域之间出现的反型层和第一半导体区域彼此接触的方式，电势被供应到第一半导体区域、第二半导体区域和电极，
其中，淬灭电路(202)与第一半导体区域电连接，以及
其中，第三半导体区域(3)与第一半导体区域(1)彼此分离。
2.根据权利要求1所述的光检测设备，
其中，第一半导体区域和电介质构件的第一部分彼此接触，以及
其中，第二半导体区域和电介质构件的第二部分彼此接触。
3.根据权利要求2所述的光检测设备，其中，当通过光电转换部分生成的信号电荷是电子时，等于或高于供应到第二半导体区域的电势的电势被供应到电极，并且，当信号电荷是空穴时，等于或低于供应到第二半导体区域的电势的电势被供应到电极。
4.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，第一半导体区域(1)与电介质构件(7)彼此分离。
5.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，供应到第一半导体区域的电势与供应到第二半导体区域的电势之间的电势差是6V或更高。
6.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，供应到第一半导体区域的电势与供应到第二半导体区域的电势之间的电势差被配置为变得高于击穿电压。
7.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，供应到第一半导体区域的电势与供应到第二半导体区域的电势之间的电势差被配置为变得等于或低于击穿电压。
8.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，第一半导体区域与电介质构件之间的距离是0.1μm或更小。
9.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，光电转换部分构造雪崩二极管。
10.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，埋入部分被定位为延伸到比由PN结形成的耗尽层区域深的位置。
11.根据权利要求1所述的光检测设备，
其中，埋入部分具有：
底部，被定位在关于第一表面最深的位置处，
侧表面，与第二半导体区域接触；和
端部，与底部和侧表面连接，以及
其中，底部和端部与导电类型与第一半导体区域的导电类型相同的第四半导体区域接触。
12.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，埋入部分被定位为从第一表面延伸到第二表面。
13.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，第二半导体区域包含：
第一区域，是具有第一杂质浓度的区域；
第二区域，是被定位在关于第一表面比第一区域深的位置处并具有比第一杂质浓度低的第二杂质浓度的区域；以及
第三区域，是被定位在关于第一表面比第一区域和第二区域深的位置处并具有比第一杂质浓度和第二杂质浓度高的第三杂质浓度的区域。
14.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，供应到第一半导体区域的电势V1、供应到第二半导体区域的电势V2、供应到电极的电势Vt、第一半导体区域的功函数φ1、第二半导体区域的功函数φ2和电极的功函数φt在由光电转换部分生成的信号电荷是电子时满足数学不等式(A)并且在信号电荷是空穴时满足数学不等式(B)：
(V2-φ2)≤(Vt-φt)<(V1-φ1) (A)
(V2-φ2)≥(Vt-φt)>(V1-φ1) (B)。
15.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，供应到第一半导体区域的电势V1、供应到第二半导体区域的电势V2、供应到电极的电势Vt、第一半导体区域的功函数φ1、第二半导体区域的功函数φ2和电极的功函数φt在由光电转换部分生成的信号电荷是电子时满足数学不等式(C)并且在信号电荷是空穴时满足数学不等式(D)：
(V2-φ2)<(V1-φ1)≤(Vt-φt) (C)
(V2-φ2)>(V1-φ1)≥(Vt-φt) (D)。
16.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，在平面图中，第一半导体区域以被埋入部分包围的方式被定位，以及
埋入部分以被第二半导体区域包围的方式被定位。
17.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，在平面图中，第一半导体区域具有凹陷部分，
第一半导体区域以被第二半导体区域包围的方式被定位，以及
第二半导体区域的一部分和埋入部分的至少一部分被定位在凹陷部分中。
18.根据权利要求1所述的光检测设备，其中，在平面图中，埋入部分以被第一半导体区域包围的方式被定位，以及
第一半导体区域以被第二半导体区域包围的方式被定位。
19.一种光检测系统，其特征在于，该光检测系统包括：
多个光检测设备，各自与根据权利要求1所述的光检测设备对应；
波长转换单元，被配置为将第一波段的光转换成与第一波段不同的第二波段的光；和
信号处理单元，被配置为对从存储在所述多个光检测设备中的多个数字信号获得的多个图像执行合成处理，
其中，使得从波长转换单元输出的第二波段的光入射到所述多个光检测设备上。
20.一种光检测系统，其特征在于，该光检测系统包括：
根据权利要求1所述的光检测设备；
发光单元，被配置为发射要由光检测设备检测的光；和
距离计算单元，被配置为使用由光检测设备存储的数字信号执行距离计算。
21.一种光检测设备，其特征在于，该光检测设备包括：
半导体基板，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；
光电转换部分，具有配置有信号电荷是多数载流子的第一半导体区域和导电类型与信号电荷的导电类型相反的电荷是多数载流子的第二半导体区域的PN结；
导电类型与第二半导体区域的导电类型相同的第三半导体区域(3)，第三半导体区域与第二半导体区域(2)电连接；以及
埋入部分，埋入半导体基板中并且包含电极和被定位在电极与半导体基板之间且与第二半导体区域接触的电介质构件，
其中，以第一半导体区域与第二半导体区域之间的电势差变为6V或更高的方式，电势被供应到第一半导体区域和第二半导体区域，
其中，以电极与第二半导体区域之间的电势差变得等于或高于第一半导体区域与第二半导体区域之间的电势差的方式，电势被供应到电极，
其中，淬灭电路(202)与第一半导体区域电连接，以及
其中，第三半导体区域(3)与第一半导体区域(1)彼此分离。
CN201710628241.4A 2016-07-29 2017-07-28 光检测设备和光检测系统 Active CN107665897B (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016150331A JP2018019040A (ja) 2016-07-29 2016-07-29 光検出装置および光検出システム
JP2016-150331 2016-07-29
JP2016150330A JP7013120B2 (ja) 2016-07-29 2016-07-29 光検出装置および光検出システム
JP2016-150330 2016-07-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107665897A CN107665897A (zh) 2018-02-06
CN107665897B true CN107665897B (zh) 2022-05-17

Family

ID=61010083

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710628241.4A Active CN107665897B (zh) 2016-07-29 2017-07-28 光检测设备和光检测系统

Country Status (2)

Country Link
US (2) US10497818B2 (zh)
CN (1) CN107665897B (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6975341B2 (ja) * 2018-02-23 2021-12-01 アーティラックス・インコーポレイテッド 光検出装置およびその光検出方法
CN111902949B (zh) * 2018-03-27 2024-02-23 松下知识产权经营株式会社 光检测器
JP7182978B2 (ja) * 2018-09-28 2022-12-05 キヤノン株式会社 光検出装置、光検出システム
CN109904272B (zh) * 2019-01-23 2021-02-09 杭州电子科技大学 一种高转换增益和低串扰的像素探测器
US11056519B2 (en) * 2019-02-25 2021-07-06 Canon Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion device, imaging system, and mobile apparatus
CN112909034A (zh) 2019-12-04 2021-06-04 半导体元件工业有限责任公司 半导体器件
US11652176B2 (en) * 2019-12-04 2023-05-16 Semiconductor Components Industries, Llc Semiconductor devices with single-photon avalanche diodes and light scattering structures with different densities
US11508867B2 (en) * 2020-01-28 2022-11-22 Adaps Photonics Inc. Single photon avalanche diode device
CN113921646B (zh) * 2021-09-30 2023-03-31 厦门市三安集成电路有限公司 单光子探测器及其制作方法、单光子探测器阵列

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002090116A (ja) * 2000-09-12 2002-03-27 Asahi Optical Co Ltd ３次元画像検出装置
CN203385484U (zh) * 2013-08-09 2014-01-08 西安工程大学 一种单光子计数装置
CN104465683A (zh) * 2013-09-13 2015-03-25 株式会社理光 半导体装置
CN105474045A (zh) * 2013-08-19 2016-04-06 株式会社东芝 辐射检测器

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4446850B2 (ja) * 2004-09-27 2010-04-07 株式会社トプコン 測量装置用ターゲット
RU2416840C2 (ru) 2006-02-01 2011-04-20 Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. Лавинный фотодиод в режиме счетчика гейгера
CN104538459A (zh) * 2006-04-25 2015-04-22 皇家飞利浦电子股份有限公司 采用(bi) cmos工艺的雪崩光电二极管的实现
DE102007000377A1 (de) 2007-07-16 2009-01-22 Hilti Aktiengesellschaft Laserdistanzhandmessgerät mit einem Impulsrückmischverfahren
IT1392366B1 (it) * 2008-12-17 2012-02-28 St Microelectronics Rousset Fotodiodo operante in modalita' geiger con resistore di soppressione integrato e controllabile, schiera di fotodiodi e relativo procedimento di fabbricazione
SG169922A1 (en) * 2009-09-24 2011-04-29 Taiwan Semiconductor Mfg Improved semiconductor sensor structures with reduced dislocation defect densities and related methods for the same
US8916873B2 (en) * 2011-09-14 2014-12-23 Infineon Technologies Ag Photodetector with controllable spectral response
JP5907500B2 (ja) * 2011-10-06 2016-04-26 国立研究開発法人産業技術総合研究所 光電変換装置、光電変換アレイおよび撮像装置
US9160949B2 (en) 2013-04-01 2015-10-13 Omnivision Technologies, Inc. Enhanced photon detection device with biased deep trench isolation
US10032951B2 (en) * 2013-04-04 2018-07-24 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor photosensor for infrared radiation
JP2015084392A (ja) 2013-10-25 2015-04-30 浜松ホトニクス株式会社 光検出器
US10141458B2 (en) * 2016-07-21 2018-11-27 Omnivision Technologies, Inc. Vertical gate guard ring for single photon avalanche diode pitch minimization

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002090116A (ja) * 2000-09-12 2002-03-27 Asahi Optical Co Ltd ３次元画像検出装置
CN203385484U (zh) * 2013-08-09 2014-01-08 西安工程大学 一种单光子计数装置
CN105474045A (zh) * 2013-08-19 2016-04-06 株式会社东芝 辐射检测器
CN104465683A (zh) * 2013-09-13 2015-03-25 株式会社理光 半导体装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20200058808A1 (en) 2020-02-20
US10497818B2 (en) 2019-12-03
CN107665897A (zh) 2018-02-06
US20180033896A1 (en) 2018-02-01
US11309442B2 (en) 2022-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107665897B (zh) 光检测设备和光检测系统
JP7379606B2 (ja) 光検出装置および光検出システム
CN107946326B (zh) 光检测装置及光检测系统
US10283651B2 (en) Photodetection device and system having avalanche amplification
JP7013120B2 (ja) 光検出装置および光検出システム
JP7242234B2 (ja) 光検出装置、光検出システム
JP7114244B2 (ja) 光検出装置、光検出システム、及び移動体
US10636822B2 (en) Photoelectric conversion element and solid-state image capturing device
JP2014241543A (ja) 光検出装置およびｃｔ装置
JP2018019040A (ja) 光検出装置および光検出システム
TW202232780A (zh) 單光子雪崩二極體
US11189742B2 (en) Photo-detection device, photo-detection system, and mobile apparatus
US10833207B2 (en) Photo-detection device, photo-detection system, and mobile apparatus
JP7362352B2 (ja) 光電変換装置、光電変換システム、および移動体
US11289520B2 (en) Light detection device including an avalanche diode
US11282877B2 (en) Photoelectric conversion apparatus and photoelectric conversion system
JP2020107980A (ja) 光検出装置および撮像システム

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant