CN111627944A - 光电转换设备、成像系统、放射线成像系统和可移动物体 - Google Patents

光电转换设备、成像系统、放射线成像系统和可移动物体 Download PDF

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Abstract

公开了光电转换设备、成像系统、放射线成像系统和可移动物体。一种光电转换设备包括：光电转换单元，生成第一极性的信号电荷；以及电荷转换电路，将信号电荷转换成信号电压。光电转换单元包括设置在半导体基板的表面侧的第一导电类型的第一半导体区域和第二导电类型的第二半导体区域、设置在第一深度处的第一导电类型的第三半导体区域、设置在第二深度处并且在平面图中与第二半导体区域重叠的第二导电类型的第四半导体区域以及设置在第三深度处的第一导电类型的第五半导体区域，并且在平面图中第三半导体区域和第五半导体区域与第一半导体区域、第二半导体区域和第四半导体区域重叠。

Description

光电转换设备、成像系统、放射线成像系统和可移动物体
技术领域
本发明涉及光电转换设备、成像系统、放射线成像系统和可移动物体。
背景技术
在用于相机的自动聚焦检测、相机的自动曝光调整、放射线检测等的光电转换设备中，一些光电转换设备可以具有直径约为几十至数百微米的大面积的光电二极管。期望这种具有大面积的光电二极管具有大饱和电荷量并且能够快速读出。日本专利申请公开No.2016-076647公开了一种通过改善光电二极管中的电势分布来实现高灵敏度和快速读出的技术。
为了进一步改善光电转换设备的灵敏度，期望在抑制叠加在输出信号上的噪声的同时进一步增大光电二极管的饱和电荷量。
发明内容
本发明旨在提供包括具有大饱和电荷量的光电转换单元的高灵敏度光电转换设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种光电转换设备，包括：光电转换单元，响应于入射光生成第一极性的信号电荷；以及电荷转换电路，将信号电荷转换成信号电压，其中，光电转换单元包括：第一导电类型的第一半导体区域，该第一半导体区域设置在半导体基板的表面侧，并且在该第一半导体区域中第一极性的载流子为主要载流子；第二导电类型的第二半导体区域，该第二半导体区域设置在半导体基板的表面侧以便与第一半导体区域间隔开，并且在该第二半导体区域中与第一极性不同的第二极性的载流子为主要载流子；第一导电类型的第三半导体区域，该第三半导体区域设置在比设置第二半导体区域的深度深的第一深度处；第二导电类型的第四半导体区域，该第四半导体区域设置在比设置第三半导体区域的深度深的第二深度处并且在平面图中与第二半导体区域重叠；以及第一导电类型的第五半导体区域，该第五半导体区域设置在比设置第四半导体区域的深度深的第三深度处，并且其中，在平面图中第三半导体区域和第五半导体区域与第一半导体区域、第二半导体区域和第四半导体区域重叠。
通过以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的更多特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一实施例的光电转换设备的一般配置的电路图。
图2是示出根据本发明的第一实施例的光电转换设备的光电转换单元的平面图。
图3是示出根据本发明的第一实施例的光电转换设备的光电转换单元的示意性截面图。
图4是根据本发明的第一实施例的光电转换设备的光电转换单元的电势图。
图5是示出根据本发明的第一实施例的变形例的光电转换设备的光电转换单元的示意性截面图。
图6是示出根据本发明的第二实施例的光电转换设备的光电转换单元的平面图。
图7是示出根据本发明的第二实施例的光电转换设备的光电转换单元的示意性截面图。
图8是示出根据本发明的第三实施例的成像系统的配置示例的框图。
图9A是示出根据本发明的第四实施例的成像系统的配置示例的图。
图9B是示出根据本发明的第四实施例的可移动物体的配置示例的图。
图10是示出根据本发明的第五实施例的放射线成像系统的图。
具体实施方式
现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
[第一实施例]
将参考图1至图4描述根据本发明的第一实施例的光电转换设备。图1是示出根据本实施例的光电转换设备的一般配置的电路图。图2是示出根据本实施例的光电转换设备的光电转换单元的结构的平面图。图3是示出根据本实施例的光电转换设备的光电转换单元的结构的示意性截面图。图4是根据本实施例的光电转换设备的光电转换单元的电势图。
首先，将参考图1至图3描述根据本实施例的光电转换设备的结构。
如图1中所示，根据本实施例的光电转换设备100包括多个像素10、扫描电路20、运算放大器30和积分电容器40。
多个像素10中的每个像素包括光电转换单元PD和转移晶体管M1。光电转换单元PD是例如光电二极管，并且具有连接到地节点的阳极和连接到转移晶体管M1的源极的阴极。转移晶体管M1的栅极连接到扫描电路20。转移晶体管M1的漏极连接到多个像素10共用的信号输出线12。
信号输出线12连接到运算放大器30的反相输入端子(-)。电压Vref被供给到运算放大器30的非反相输入端子(+)。运算放大器30的输出端子连接到传感器输出线32。积分电容器40连接在运算放大器30的反相输入端子(-)和输出端子之间。
在图1中，虽然为了简化图示而示出了连接到一条信号输出线12的三个像素10，但是连接到一条信号输出线12的像素10的数量没有特别地限制。连接到一条信号输出线12的像素10的数量可以小于或等于两个，并且可以大于或等于四个。另外，可以设置各自连接到多个像素10的多条信号输出线12以形成二维像素阵列。
光电转换单元PD将入射光转换(光电转换)成与入射光的量一致的量的信号电荷，并累积所生成的信号电荷。当接通时，转移晶体管M1将由光电转换单元PD保持的电荷输出到信号输出线12。当从扫描电路20向每个像素10顺序地供给读出脉冲时，在每个像素10的光电转换单元PD中生成的信号电荷可以被顺序地输出到信号输出线12。
运算放大器30以及连接在运算放大器30的反相输入端子和输出端子之间的积分电容器40形成电荷积分型的电荷转换电路。因而，从光电转换单元PD输出到信号输出线12的信号电荷在积分电容器40上被积分，并且与信号电荷的量一致的信号电压被输出到传感器输出线32。在信号电荷被输出到信号输出线12之后，即，当光电转换单元PD被重置时，光电转换单元PD的阴极侧的电位被设定为电压Vref。
积分电容器40由诸如MIM型电容器之类的不具有电位依赖性的电容器形成。这确保输出相对于信号的线性度。如后面所述，形成光电转换单元PD的光电二极管的p-n结电容具有高电位依赖性。但是，通过使用不具有电位依赖性的积分电容器40形成电荷积分电路，可以与光电二极管的p-n结电容的电位依赖性无关地将与从光电转换单元PD输出的电荷的量成比例的输出电压输出到传感器输出线32。由此，可以确保输出相对于信号的线性度。
接下来，将参考图2和图3描述根据本实施例的光电转换设备的光电转换单元PD的结构。图2是示出光电转换单元PD的配置示例的平面布局图。图3是沿着图2的线A-A’截取的截面图。注意的是，在本说明书中的平面图表示光电转换单元PD的每个组件被投影到与半导体基板的表面平行的平面上的状态，这与图2的平面布局图相对应。
在本实施例中，以第一极性的载流子是电子的情况为例进行描述。在这种情况下，第一极性的载流子(电子)为主要载流子的半导体区域是n型半导体区域，并且与第一极性不同的第二极性的载流子(空穴)为主要载流子的半导体区域是p型半导体区域。在光电转换单元PD中生成的信号电荷(电子)被累积在n型半导体区域中。注意的是，信号电荷不一定需要是电子，而可以是空穴。在这种情况下，稍后描述的每个区域的导电类型具有相反的导电类型。
根据本实施例的光电转换设备的光电转换单元PD是由设置在半导体基板110中的p-n结形成的光电二极管。例如，半导体基板110是具有低杂质浓度的n型(n-型)硅基板。如图3中所示，光电转换单元PD设置在半导体基板110的光电转换单元形成区域112中。
如图3中所示，n型(n+型)半导体区域120和p型半导体区域122设置在半导体基板110的表面侧160。在半导体基板110的比设置n型半导体区域120和p型半导体区域122的区域深的第一深度162处，设置n型半导体区域124和p型半导体区域126。在半导体基板110的比设置n型半导体区域124和p型半导体区域126的区域深的第二深度164处，设置p型半导体区域128。在半导体基板110的比设置p型半导体区域128的区域深的第三深度166处，设置n型半导体区域130和p型半导体区域132。在半导体基板110的比设置p型半导体区域132的区域深的第四深度168处，设置p型半导体区域134。在半导体基板110的比设置p型半导体区域134的区域深的第五深度170处，设置p型半导体区域136。
p型半导体区域136的作用是将比半导体基板110的第五深度170浅的n型(n-型)半导体区域138与比半导体基板110的第五深度170深的n型(n-型)半导体区域140电隔离。换句话说，p型半导体区域136确定光电转换单元PD通过光电转换生成信号电荷的深度。在比p型半导体区域136浅的区域中生成的信号电荷(电子)被收集到n型半导体区域120。
如图2中所示，在平面图中，p型半导体区域126、132和134沿着光电转换单元形成区域112的内周环形地设置。在平面图中在p型半导体区域126、132和134的布置区域中，p型半导体区域122、126、128、132、134和136在深度方向上彼此电连接。即，p型半导体区域126、132和134与p型半导体区域136一起用作将元件彼此隔离的隔离层。
如图2中所示，n型半导体区域120具有在与半导体基板110的表面平行的第一方向(图2中的Y方向)上延伸的细长矩形图案。n型半导体区域120的长度在Y方向上接近光电转换单元形成区域112的直径。在图2中，虽然两个n型半导体区域120布置在光电转换单元形成区域112中，但是布置在光电转换单元形成区域112中的n型半导体区域120的数量不受特别地限制，并且可以根据光电转换单元形成区域112的大小或形状适当地设定。即，n型半导体区域120的数量可以是一或可以大于或等于三。
p型半导体区域122被设置为与n型半导体区域120间隔开。更具体地，p型半导体区域122设置在光电转换单元形成区域112的除了n型半导体区域120以及n型半导体区域120周围的一定范围之外的整个区域上。在平面图中，p型半导体区域128设置在与p型半导体区域122重叠的区域中。
n型半导体区域124和130分别与两个n型半导体区域120中的每个相关联地设置。在平面图中，n型半导体区域124和130中的每个与对应的n型半导体区域120、p型半导体区域122和p型半导体区域128重叠。具体地，n型半导体区域124和130中的每个具有在平面图中在与n型半导体区域120重叠的区域中设置的主干部分和在平面图中在与p型半导体区域122和128重叠的区域中设置的多个分支部分142。多个分支部分142在与和第一方向相交的第二方向(图2中的X方向)平行的两个方向上以梳齿的形状从主干部分延伸。分支部分142的宽度对于距主干部分较远的部分较窄。在平面图中在n型半导体区域120的布置区域中，n型半导体区域120、124和130在深度方向上彼此电连接。
互连件150经由诸如接触插塞之类的连接电极152连接到n型半导体区域120。互连件150是将光电转换单元PD的阴极和转移晶体管M1的源极彼此连接的互连件。
以这种方式，在n型半导体区域120、124、130和138与p型半导体区域122和128之间的p-n结形成光电转换单元PD。n型半导体区域124和130用作电荷累积层，该电荷累积层累积在光电转换单元PD中生成的信号电荷。在减小与连接电极152的接触电阻以及与n型半导体区域124和130的连接电阻的方面，优选的是n型半导体区域120具有比n型半导体区域124和130高的杂质浓度。
注意的是，虽然在图2和图3中未示出，但是固定电压被供给到p型半导体区域122。因而，与供给到p型半导体区域122的固定电压相同的电压也被供给到电连接到p型半导体区域122的p型半导体区域126、128、132、134和136。虽然在下面的描述中为了简化图示而将固定电压描述为参考电压(0V)，但是固定电压不限于参考电压。
接下来，将参考图2至图4描述光电转换单元PD的操作。图4是在光电转换单元PD重置时在第一深度162处的X方向上的电势图，在该第一深度162处设置有n型半导体区域124和p型半导体区域126。
当转移晶体管M1接通并且然后累积在光电转换单元PD中的电荷被输出到信号输出线12时，光电转换单元PD的阴极侧的电位变为与电压Vref一致的电位，并且光电转换单元PD被重置。
作为光电转换单元PD的重置电压的电压Vref相对于供给到p型半导体区域122的参考电压是正电位，并且在重置时高达电压Vref的反向偏置电压被施加到光电转换单元PD的p-n结部分。在这种情况下，n型半导体区域120是具有较高杂质浓度的中性区域并且较少被耗尽。因此，n型半导体区域120在任何部分中具有基本上相同的电压(电压Vref)。另一方面，由于n型半导体区域124和130具有较低杂质浓度，因此在重置时基本上整个区域被耗尽，特别是在平面图中与p型半导体区域122和128重叠的部分被耗尽。即，重叠部分中的耗尽电压小于电压Vref。
如图4中所示，耗尽的n型半导体区域124的电势不是平坦的而是具有梯度的。这是因为对于在平面图中较远离与n型半导体区域120重叠的部分(主干部分)的部分，在平面图中n型半导体区域124的分支部分142的宽度较窄。即，由于n型半导体区域124的耗尽不仅从与半导体基板110的表面平行的面开始，而且还从半导体基板110的表面的侧面开始，因此对于较远离主干部分并且分支部分142的宽度较窄的部分，n型半导体区域124的耗尽电压较小。因此，在n型半导体区域124中生成如图4中所示的电势梯度。
n型半导体区域130也具有与n型半导体区域124相似的主干部分和分支部分142以及与n型半导体区域124相似的电势梯度。注意的是，对于n型半导体区域124和n型半导体区域130，在平面图中与n型半导体区域120重叠的区域中适当地设定杂质浓度等，以使得n型半导体区域130的电势比n型半导体区域124的电势浅。
虽然很少可能耗尽p型半导体区域128，但是在光电转换单元PD重置时，在n型半导体区域120附近的至少一部分被耗尽。p型半导体区域122具有抑制在半导体基板110的表面上生成的暗电流的作用并且被设计为具有高杂质浓度，以便在光电转换单元PD的操作期间较少被耗尽。
利用光电转换单元PD的这种配置，在光电转换单元PD重置时电容的大部分是在n型半导体区域120与p型半导体区域122之间的p-n结电容。注意的是，n型半导体区域120仅占据光电转换单元PD的整个区域的一小部分，并且在n型半导体区域120与p型半导体区域122之间的p-n结电容非常小。
一般来说，在电荷读出的情况下的噪声伴随有光电转换单元PD的重置时的主要噪声，即，所谓的kTC。在光电转换单元PD重置时，kTC噪声与电容器的1/2功率成比例。在根据本实施例的光电转换设备中，由于如上所述光电转换单元PD重置时的电容小，因此可以抑制kTC噪声以及因此可以抑制电荷读出时的噪声。
当转移晶体管M1关断并且从光电转换单元PD到信号输出线12的信号读出(光电转换单元的重置)结束时，由入射光生成的信号电荷在光电转换单元PD中的累积开始，并且光电转换单元PD的阴极的电位逐渐减小。
在本实施例中，在平面图中，形成光电转换单元PD的电荷累积层的n型半导体区域120、124和130，特别是n型半导体区域124和130的分支部分142在光电转换单元PD的光接收面内密集地形成。因此，在电荷累积层外部生成的信号电荷也通过扩散而迅速到达电荷累积层并被累积。因而，例如，不需要如日本专利申请公开No.2016-076647中所公开的那样在远离电荷存储层的区域中形成电势台阶并且促进电荷的移动，因此可以通过减少掩模工艺而减小制造成本并减小产品价格。
当电荷累积层中累积的电荷的量小时，信号电荷仅在n型半导体区域120中或附近累积。当电荷累积层中累积的电荷的量超过预定量时，信号电荷在n型半导体区域124和130以平面方式与p型半导体区域122和128重叠的部分中累积。
当电荷累积层的电荷的量达到饱和电荷量时，信号电荷在n型半导体区域124和130以平面方式与p型半导体区域122和128重叠的部分的整个区域中累积。在此时的光电转换单元PD的电容中，在n型半导体区域124和130与p型半导体区域122和128之间的p-n结电容被加到在n型半导体区域120与p型半导体区域122之间的p-n结电容上。如图3中所示，由于n型半导体区域124和130以及p型半导体区域122和128彼此接近，因此每单位面积的电容大。另外，由于n型半导体区域120具有接近光电转换单元PD的直径的长度，并且n型半导体区域124和130连接到n型半导体区域120并在半导体基板110的内部形成，因此可以确保大的p-n结面积。此外，电荷累积层具有在深度方向上由n型半导体区域124和130形成的两个堆叠结构。因而，在饱和时光电转换单元PD的电容比在重置时光电转换单元PD的电容大得多，并且可以获得足够量的饱和信号。
通过接通转移晶体管M1来执行从光电转换单元PD的信号读出。当转移晶体管M1处于导通状态时，n型半导体区域120的电位通过信号输出线12变得更接近电压Vref。此外，累积在电荷累积层中的信号电荷在n型半导体区域120的方向上流出。
此时，由于n型半导体区域120包括中性区域并且具有低电阻，因此从光电转换单元PD的信号读出速率主要是由于累积在n型半导体区域124和130中的信号电荷的读出速率引起的。但是，在本实施例中，由于图4中所示的电势梯度引起的漂移运动，也可以快速地读出在远离n型半导体区域120的n型半导体区域124和130中的信号电荷。另外，如图2中所示，n型半导体区域124和130具有仅约为光电转换单元PD的直径的四分之一的长度。因而，利用本实施例的配置，可以改善从光电转换单元PD的信号读出速率。
图5是示出根据本实施例的变形例的光电转换设备的光电转换单元的结构的示意性截面图。在图5中所示的结构中，未设置图3中的n型半导体区域130，并且在p型半导体区域128的下方设置有n型半导体区域138。
在图5中，n型半导体区域138是杂质浓度低于n型半导体区域124的杂质浓度的n型半导体层。通常，n型半导体区域138具有与n型半导体区域140相同的杂质浓度。因而，在n型半导体区域138中，与n型半导体区域124相比，信号电荷不太可能累积，并且n型半导体区域138容易被耗尽。因而，n型半导体区域138的部分的p-n结电容小于图3中的n型半导体区域130的部分的p-n结电容。另一方面，以图5中的形式，与如图3中的形式那样n型半导体区域130被设置在p型半导体区域128下方的情况相比，光电转换单元PD的p-n结电容可以减小。因此，在光电转换单元PD的饱和信号量减小的同时，可以进一步减小噪声。
如上所述，根据本实施例，可以实现包括具有小噪声和大饱和电荷量的光电转换单元的高灵敏度光电转换设备。
[第二实施例]
将参考图6和图7描述根据本发明的第二实施例的光电转换设备。图6是示出根据本实施例的光电转换设备的光电转换单元的结构的平面图。图7是示出根据本实施例的光电转换设备的光电转换单元的结构的示意性截面图。与根据第一实施例的光电转换设备的组件相同的组件用相同的附图标记来标记，并且将省略或简化其描述。
除了光电转换单元PD的结构不同之外，根据本实施例的光电转换设备与根据第一实施例的光电转换设备相同。根据本实施例的光电转换设备的光电转换单元PD与第一实施例的光电转换单元的不同之处在于设置n型半导体区域144代替n型半导体区域124和130，并且p型半导体区域126、132和134的布局在平面图中不同。
即，如图7中所示，根据本实施例的光电转换设备的光电转换单元PD具有设置在从半导体基板110的第一深度162到第三深度166的区域中的n型半导体区域144，代替n型半导体区域124和130。n型半导体区域144在第一深度162和第三深度166处具有与第一实施例中的n型半导体区域124和130相同的平面布局。即，n型半导体区域144在第一深度162和第三深度166处具有从在平面图中与n型半导体区域120重叠的区域以梳齿的形状向与第二方向(图6中的X方向)平行的两个方向延伸的多个分支部分142。分支部分142各自具有锥形形状，其宽度随着越接近与n型半导体区域120重叠的区域而变得越宽。
注意的是，在本实施例中，第三深度166不一定需要比p型半导体区域128的最深部分深。第三深度166基于光电转换单元PD所需的饱和电荷量是可变的。
在第一深度162处，在平面图中n型半导体区域144的外边缘由与p型半导体区域126的接合部限定。在第二深度164处，在平面图中n型半导体区域144的外边缘由与p型半导体区域128的接合部限定。在第三深度166处，在平面图中n型半导体区域144的外边缘由与p型半导体区域132的接合部限定。注意的是，在图6中，虽然在平面图中p型半导体区域126、132和134的布局是相同的，但是p型半导体区域134的布局可以与第一实施例的情况相同。
注意的是，在图6中，p型半导体区域126、132和134在由p型半导体区域126、132和134表示的虚点线的外部形成。这与图2中区域126、132和134仅沿着PD单元区域112的边界定位窄路径并且n型半导体区域124和130形成在由n型半导体区124和130表示的点线内的情况不同。
用于形成n型半导体区域144的n型杂质可以与用于形成p型半导体区域136的p型杂质一起被引入到在平面图中的整个光电转换单元形成区域112中。在这种情况下，形成n型半导体区域144的n型杂质的浓度被设定为低于形成p型半导体区域126、128和132的p型杂质的浓度。利用这种配置，除了形成有p型半导体区域126、128和132的区域之外的区域是n型半导体区域144。
同样在本实施例中，与第一实施例的情况一样，当光电转换单元PD处于重置状态时，n型半导体区域144在与p型半导体区域122和128在平面图中重叠的大部分区域中被耗尽。然后在平面方向和深度方向上在n型半导体区域144中都形成电势梯度，以使得对于较接近n型半导体区域120的部分来说电势较深。即，根据本实施例的光电转换单元PD与第一实施例的相同之处在于，重置时的电容小，即，噪声小，并且可以确保大量的饱和信号。
此外，如下所述，在根据本实施例的光电转换单元PD中，与第一实施例的光电转换单元PD相比，可以改善信号读出速率。
当读出信号电荷时，p型半导体区域122、128和136中的空穴随着电荷累积层中的信号电荷(在本实施例中为电子)移动而移动。一般来说，当在形成电容器的两个电极之间的电压改变时，累积在两个电极中的电荷移动相同的量。在本文中，p型半导体区域122一般具有高浓度和低电阻。另一方面，由于p型半导体区域128的较高浓度使得难以形成n型半导体区域144，因此应避免p型半导体区域128的高浓度。另外，虽然使用高能量离子注入在深区域处形成p型半导体区域136，但是一般难以增大高能量离子注入的量。因此，与p型半导体区域122相比，p型半导体区域128和136具有相对低的浓度和高电阻。因此，在第一实施例中，p型半导体区域128和136中的空穴的移动速度不一定足够，这导致信号读出速率的减小。
另一方面，在本实施例中，如图6和图7中所示，在光电转换单元形成区域112的大部分区域中，p型半导体区域128电导通至p型半导体区域126和132。另外，在光电转换单元形成区域112的大部分区域中，p型半导体区域136电导通至p型半导体区域134。因而，p型半导体区域128中的空穴经由p型半导体区域126迅速地移动到p型半导体区域122并且从p型半导体区域122中排出。另外，p型半导体区域136中的空穴经由p型半导体区域134、132和126迅速地移动到p型半导体区域122并且从p型半导体区域122中排出。
因此，在本实施例的光电转换单元PD中，与第一实施例的情况相比，可以改善信号读出速率。
另外，如下所述，在本实施例的光电转换单元PD中，与第一实施例的光电转换单元PD的情况相比，可以减少在制造期间的掩模工艺，因此可以减小制造成本并且因此减小光电转换设备的价格。
即，在第一实施例的光电转换单元PD中，如图2和图3中所示，n型半导体区域124和130以及p型半导体区域136具有不同的平面布局。即，为了制造光电转换单元PD，分别要求用于形成n型半导体区域124和130的掩模工艺以及用于形成p型半导体区域136的掩模工艺。
另一方面，如上所述，在本实施例的光电转换单元PD中，在平面图中形成n型半导体区域144的n型杂质可以被引入遍及整个光电转换单元形成区域112。即，相同的掩模可以被用作用于形成n型半导体区域144的掩模和用于形成p型半导体区域136的掩模。因而，在制造光电转换单元PD时，与第一实施例的情况相比，可以通过单个掩模工艺形成n型半导体区域144和p型半导体区域136，并且可以减少一个掩模工艺。
因此，在本实施例中，与第一实施例的情况相比，可以减小制造成本，并且因此减小光电转换设备的价格。
如上所述，根据本实施例，可以实现包括具有较小的噪声和大饱和电荷量的光电转换单元的高灵敏度光电转换设备。
[第三实施例]
将参考图8描述根据本发明的第三实施例的成像系统。图8是示出根据本实施例的成像系统的一般配置的框图。
上述第一实施例和第二实施例中描述的光电转换设备100可以被应用于各种成像系统。可应用的成像系统的示例可以包括数字静态相机、数字便携式摄像机、监视相机、复印机、传真机、移动电话、车载相机、观察卫星等。此外，在成像系统中还包括相机模块，该相机模块包括诸如透镜之类的光学系统和成像设备。图8示出了作为这些示例中的示例的数字静态相机的框图。
图8中作为示例示出的成像系统200包括成像设备201、将物体的光学图像捕获到成像设备201上的透镜202、用于改变穿过透镜202的光量的光圈204以及用于保护透镜202的挡板206。透镜202和光圈204形成将光会聚到成像设备201上的光学系统。成像设备201是在第一实施例和第二实施例中的任一个中描述的光电转换设备100，并且将由透镜202捕获的光学图像转换成图像数据。
另外，成像系统200包括信号处理单元208，该信号处理单元208处理从成像设备201输出的输出信号。信号处理单元208执行模拟-数字(AD)转换，该模拟-数字转换将从成像设备201输出的模拟信号转换成数字信号。此外，信号处理单元208根据需要执行进行各种校正或压缩以输出图像数据的操作。作为信号处理单元208的一部分的AD转换单元可以形成在设置有成像设备201的半导体基板上，或者形成在与成像设备201分离的半导体基板上。另外，成像设备201和信号处理单元208可以形成在相同的半导体基板上。
此外，成像系统200包括用于在其中暂时存储图像数据的存储器单元210以及用于与外部计算机等通信的外部接口单元(外部I/F单元)212。成像系统200还包括用于执行成像数据的存储或读出的诸如半导体存储器之类的存储介质214以及用于对存储介质214执行存储或读出的存储介质控制接口单元(存储介质控制I/F单元)216。注意的是，存储介质214可以被嵌入到成像系统200中或者可以是可移除的。
此外，成像系统200包括执行各种计算并且控制整个数字静态相机的通用控制/操作单元218以及将各种定时信号输出到成像设备201和信号处理单元208的定时生成单元220。这里，定时信号等可以从外部输入，并且成像系统200可以至少包括成像设备201和处理从成像设备201输出的输出信号的信号处理单元208。
成像设备201将成像信号输出到信号处理单元208。信号处理单元208对从成像设备201输出的成像信号执行预定的信号处理并且输出图像数据。信号处理单元208使用成像信号来生成图像。
如上所述，根据本实施例，可以实现对其应用根据第一实施例和第二实施例的光电转换设备100的成像系统。
[第四实施例]
将参考图9A和图9B描述根据本发明的第四实施例的成像系统和可移动物体。图9A是示出根据本实施例的成像系统的配置的图。图9B是示出根据本实施例的可移动物体的配置的图。
图9A示出了与车载相机有关的成像系统的示例。成像系统300包括成像设备310。成像设备310是上面第一实施例和第二实施例中的任一个中所述的光电转换设备100。成像系统300包括图像处理单元312和视差取得单元314，该图像处理单元312对由成像设备310取得的多个图像数据执行图像处理，该视差取得单元314从由成像系统300取得的多个图像数据中计算视差(视差图像的相位差)。另外，成像系统300包括距离取得单元316和碰撞确定单元318，该距离取得单元316基于计算出的视差来计算到物体的距离，该碰撞确定单元318基于计算出的距离来确定是否存在碰撞可能性。这里，视差取得单元314和距离取得单元316是取得关于到物体的距离的距离信息的距离信息取得单元的示例。即，距离信息是关于视差、离焦量、到物体的距离等的信息。碰撞确定单元318可以使用任何距离信息来确定碰撞可能性。距离信息取得单元可以通过专门设计的硬件来实现或者可以通过软件模块来实现。另外，距离信息取得单元可以通过现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等来实现，或者可以通过其组合来实现。
成像系统300连接到车辆信息取得设备320并且可以取得诸如车辆速度、偏航率、转向角度等车辆信息。另外，成像系统300连接到控制ECU 330，该控制ECU 330是基于碰撞确定单元318的确定结果输出用于使车辆生成制动力的控制信号的控制设备。另外，成像系统300还连接到警报设备340，该警报设备340基于碰撞确定单元318的确定结果向驾驶员发出警报。例如，当作为碰撞确定单元318的确定结果的碰撞可能性高时，控制ECU 330执行车辆控制以通过施加制动、加速器后退、抑制引擎功率等来避免碰撞或减小损坏。警报设备340通过发出诸如声音之类的警报声音、在汽车导航系统等的显示器上显示警报信息、向座椅安全带或方向盘提供振动等来提醒用户。
在本实施例中，通过使用成像系统300来捕获车辆周围的区域，例如前方区域或后方区域。图9B示出了在捕获车辆的前方区域(捕获区域350)时的成像系统。车辆信息取得设备320向成像系统300或成像设备310发送指令。这种配置可以进一步改善测距精度。
虽然上面描述了用于避免与其它车辆碰撞的控制的示例，但是该实施例可适用于用于跟随其它车辆的自动驾驶控制、用于不从车道出来的自动驾驶控制等。此外，成像系统不限于诸如本车车辆之类的车辆，并且例如可以应用于诸如船舶、飞机或工业机器人之类的可移动物体(移动装置)。此外，成像系统可以广泛地应用于诸如智能交通系统(ITS)之类的利用物体识别的设备，而不限于可移动物体。
[第五实施例]
将参考图10描述根据本发明的第五实施例的放射线成像系统。图10是示出根据本实施例的放射线成像系统的图。在本实施例中，将描述将第一实施例和第二实施例中描述的光电转换设备应用于放射线成像系统的示例。
如图10中所示，根据本实施例的放射线成像系统包括放射线成像设备6040和处理从放射线成像设备6040输出的信号的图像处理器6070。放射线成像设备6040是如下设备：上面每个实施例中描述的光电转换设备被配置为捕获放射线的设备。在X射线管(放射线的源)6050中生成的X射线6060透射通过患者或被检体6061的胸部6062，并且进入放射线成像设备6040。入射X射线包括关于被检体6061的身体内的信息。放射线成像设备6040包括闪烁器，该闪烁器转换入射X射线的波长。闪烁器通常将X射线转换成具有较长波长的包括可见光的光，并且使光子的数量倍增。放射线成像设备6040包括上面实施例中描述的光电转换设备，并且波长被闪烁器转换的光进入光电转换设备。因而，在上面每个实施例中描述的光电转换设备100中，n型半导体区域120收集与在闪烁器处经转换的入射光相对应的信号电荷。
图像处理器(处理器)6070可以处理从放射线成像设备6040输出的信号(图像)，并且使控制室中的显示器6080显示例如基于通过该处理获得的图像信号的图像。
另外，图像处理器6070可以经由传输路径6090将通过该处理获得的信号转移到远程位置。由此，图像处理器6070可以使布置在医生室等中的在其它地方处的显示器6081显示图像，并且使诸如光盘之类的存储介质存储图像。存储介质可以是胶片6110，并且在这种情况下，胶片处理器6100在胶片6110中存储图像。
注意的是，本说明书中描述的光电转换设备也可以应用于通过光来捕获图像的成像系统。例如，这种成像系统可以具有光电转换设备和处理从光电转换设备输出的信号的处理器。处理器进行的处理可以包括以下处理中的至少一个：例如，转换图像的格式的处理、压缩图像的处理、改变图像的大小的处理以及改变图像的对比度的处理。
[变形实施例]
本发明不限于上述实施例，并且各种修改是可能的。
例如，任何实施例的配置的一部分被添加到另一实施例的示例或者任何实施例的配置的一部分被另一实施例的配置的一部分取代的示例也是本发明的实施例之一。
另外，在上述第一实施例和第二实施例中，由n型半导体区域120、124和130形成的电荷累积层被划分为其中心在两个n型半导体区域120中的每个处的两个块，并且这些块通过互连件150彼此连接。然而，电荷累积层不一定需要被划分或者可以被划分为三个或更多个块。可以根据光电转换单元形成区域112的大小、形状等适当地选择形成电荷累积层的块的数量。
另外，当电荷累积层被划分为多个块时，由p型半导体区域126、132和134形成的隔离部分可以布置在相应的块之间。利用这种配置，p型半导体区域128和136可以具有较低的电阻，并且可以改善信号读出速率。
另外，在上述第一实施例和第二实施例中，虽然电荷累积层的分支部分142在深度方向上布置在两个堆叠中，但是分支部分142不一定需要被布置在多个堆叠中，或者在深度方向上堆叠的数量可以是三个或更多个。
另外，当电荷累积层的分支部分142布置在多个堆叠中时，一些堆叠可以具有与第一实施例的堆叠相同的配置，而其它堆叠可以具有与第二实施例的堆叠相同的配置。另外，当电荷累积层的分支部分142在多个堆叠中形成时，形成每个堆叠的分支部分142的平面布局可以相同或可以不同。
另外，在上述第一实施例和第二实施例中，虽然在平面图中分支部分142的宽度连续改变，但是分支部分142的宽度不一定需要连续改变。在平面图中分支部分142的宽度可以是任何宽度，只要对于较接近与n型半导体区域120重叠的区域的部分来说较宽即可，或者可以逐步改变。
另外，在上面第三实施例至第五实施例中示出的成像系统是可以向其应用本发明的光电转换设备的成像系统的示例，并且可以向其应用本发明的光电转换设备的成像系统不限于图8至图10中所示的配置。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (24)

1.一种光电转换设备，其特征在于，所述光电转换设备包括：
光电转换单元，响应于入射光生成第一极性的信号电荷；以及
电荷转换电路，将信号电荷转换成信号电压，
其中，光电转换单元包括：
第一导电类型的第一半导体区域，所述第一半导体区域设置在半导体基板的表面侧，并且在所述第一半导体区域中第一极性的载流子为主要载流子，
第二导电类型的第二半导体区域，所述第二半导体区域设置在半导体基板的表面侧以便与第一半导体区域间隔开，并且在所述第二半导体区域中与第一极性不同的第二极性的载流子为主要载流子，
第一导电类型的第三半导体区域，所述第三半导体区域设置在比设置第二半导体区域的深度深的第一深度处，
第二导电类型的第四半导体区域，所述第四半导体区域设置在比设置第三半导体区域的深度深的第二深度处并且在平面图中与第二半导体区域重叠，以及
第一导电类型的第五半导体区域，所述第五半导体区域设置在比设置第四半导体区域的深度深的第三深度处，并且
其中，在平面图中第三半导体区域和第五半导体区域与第一半导体区域、第二半导体区域和第四半导体区域重叠。
2.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中，第三半导体区域和第五半导体区域的杂质浓度低于第一半导体区域的杂质浓度。
3.根据权利要求1或2所述的光电转换设备，其中，当光电转换单元被重置时，在平面图中第三半导体区域和第五半导体区域与第二半导体区域和第四半导体区域重叠的部分被耗尽。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的光电转换设备，
其中，光电转换单元还包括
设置在第一深度处的第二导电类型的第六半导体区域；以及
设置在第三深度处的第二导电类型的第七半导体区域，
其中，在平面图中第三半导体区域的外边缘由在第三半导体区域与第六半导体区域之间的接合部限定，以及
其中，在平面图中第五半导体区域的外边缘由在第五半导体区域与第七半导体区域之间的接合部限定。
5.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中，第三半导体区域具有在平面图中与第一半导体区域重叠的主干部分，以及在平面图中从主干部分延伸并与第二半导体区域和第四半导体区域重叠的多个分支部分。
6.根据权利要求5所述的光电转换设备，其中，在平面图中分支部分的宽度对于较远离主干部分的部分较窄。
7.根据权利要求5或6所述的光电转换设备，
其中，第一半导体区域具有在第一方向上延伸的矩形图案，
其中，第三半导体区域和第五半导体区域的所述多个分支部分在与第一方向相交的第二方向上延伸。
8.根据权利要求5或6所述的光电转换设备，其中，第三半导体区域和第五半导体区域在主干部分中电连接到第一半导体区域。
9.根据权利要求8所述的光电转换设备，其中，第六半导体区域和第七半导体区域形成将元件彼此隔离的隔离层。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的光电转换设备，
其中，第三半导体区域和第五半导体区域是从第一深度到第三深度设置的第一导电类型的第八半导体区域的一部分，以及
其中，在第八半导体区域和第四半导体区域中，在第二深度处的第一导电类型的杂质浓度是相同的。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的光电转换设备，还包括第二导电类型的第九半导体区域，所述第九半导体区域设置在比第三深度深的第四深度处并且在平面图中与光电转换单元的整个形成区域重叠。
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的光电转换设备，其中，电荷转换电路是电荷积分型的。
13.根据权利要求1至3中的任一项所述的光电转换设备，还包括闪烁器，所述闪烁器将放射线转换成可见光，其中，光电转换单元基于从闪烁器接收到的可见光来生成信号电荷。
14.一种光电转换设备，其特征在于，所述光电转换设备包括：
光电转换单元，响应于入射光生成第一极性的信号电荷；以及
电荷转换电路，将信号电荷转换成信号电压，
其中，光电转换单元包括
第一导电类型的第一半导体区域，所述第一半导体区域设置在半导体基板的表面侧，并且在所述第一半导体区域中第一极性的载流子为主要载流子，
第二导电类型的第二半导体区域，所述第二半导体区域设置在半导体基板的表面侧以便与第一半导体区域间隔开，并且在所述第二半导体区域中与第一极性不同的第二极性的载流子为主要载流子，
第一导电类型的第三半导体区域，所述第三半导体区域设置在比设置第二半导体区域的深度深的第一深度处，
第二导电类型的第四半导体区域，所述第四半导体区域设置在比设置第三半导体区域的深度深的第二深度处并且在平面图中与第二半导体区域重叠，以及
第一导电类型的第五半导体区域，
其中，在平面图中第三半导体区域和第五半导体区域与第一半导体区域、第二半导体区域和第四半导体区域重叠，并且
其中，光电转换单元还包括设置在第一深度处的第二导电类型的第六半导体区域，以及设置在比设置第四半导体区域的深度深的第三深度处的第二导电类型的第七半导体区域，
其中，在平面图中第三半导体区域的外边缘由在第三半导体区域与第六半导体区域之间的接合部限定，以及
其中，在平面图中第五半导体区域的外边缘由在第五半导体区域与第七半导体区域之间的接合部限定。
15.根据权利要求14所述的光电转换设备，其中，第六半导体区域和第七半导体区域形成将元件彼此隔离的隔离层。
16.根据权利要求14或15所述的光电转换设备，
其中，第三半导体区域和第五半导体区域是从第一深度到第三深度设置的第一导电类型的第八半导体区域的一部分，以及
其中，在第八半导体区域和第四半导体区域中，在第二深度处的第一导电类型的杂质浓度是相同的。
17.根据权利要求14或15所述的光电转换设备，还包括第二导电类型的第九半导体区域，所述第九半导体区域设置在比第三深度深的第四深度处并且在平面图中与光电转换单元的整个形成区域重叠。
18.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中，电荷转换电路是电荷积分型的。
19.根据权利要求14或15所述的光电转换设备，还包括闪烁器，所述闪烁器将放射线转换成可见光，其中，光电转换单元基于从闪烁器接收到的可见光来生成信号电荷。
20.一种光电转换设备，其特征在于，所述光电转换设备包括：
光电转换单元，响应于入射光生成第一极性的信号电荷；以及
电荷转换电路，将信号电荷转换成信号电压，
其中，光电转换单元包括
第一导电类型的第一半导体区域，所述第一半导体区域设置在半导体基板的表面侧，并且在所述第一半导体区域中第一极性的载流子为主要载流子，
第二导电类型的第二半导体区域，所述第二半导体区域设置在半导体基板的表面侧以便与第一半导体区域间隔开，并且在所述第二半导体区域中与第一极性不同的第二极性的载流子为主要载流子，
第一导电类型的第三半导体区域，所述第三半导体区域设置在比设置第二半导体区域的深度深的第一深度处，以及
第二导电类型的第四半导体区域，所述第四半导体区域设置在比设置第三半导体区域的深度深的第二深度处并且在平面图中与第二半导体区域重叠，其中，在平面图中第三半导体区域与第一半导体区域、第二半导体区域和第四半导体区域重叠。
21.根据权利要求20所述的光电转换设备，还包括闪烁器，所述闪烁器将放射线转换成可见光，其中，光电转换单元基于从闪烁器接收到的可见光来生成信号电荷。
22.一种成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：
根据权利要求1至21中的任一项所述的光电转换设备；以及
信号处理单元，处理从光电转换设备输出的信号。
23.一种能够移动的物体，其特征在于，所述能够移动的物体包括：
根据权利要求1至21中的任一项所述的光电转换设备；
距离信息取得单元，从基于来自光电转换设备的信号的视差图像取得关于到物体的距离的距离信息；以及
控制单元，基于距离信息控制能够移动的物体。
24.一种放射线成像系统，其特征在于，所述放射线成像系统包括：
根据权利要求9、19和21中的任一项所述的光电转换设备；以及
控制设备，处理在光电转换设备处获得的图像信号。
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