CN113994482A - 光电探测器 - Google Patents

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永广侯治
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宫田里江
三浦隆博
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Abstract

本发明的光电探测器包括设置在半导体基板上的多个光电转换部。所述光电转换部包括：第一导电类型的第一区域，设置在所述半导体基板的第一表面侧；第二导电类型的第二区域，设置在所述半导体基板的与所述第一表面相反的第二表面侧；第三导电类型的第三区域，设置在所述半导体基板的所述第一区域与所述第二区域之间的区域中，并且吸收入射光；第一电极，从所述第二表面沿所述半导体基板的厚度方向延伸，并且在底面电连接至所述第一区域；绝缘的像素隔离层，设置于所述第一电极的侧面；和第二电极，从所述第二表面侧电连接至所述第二区域。

Description

光电探测器
技术领域
本发明涉及一种光电探测器。
背景技术
近年来，已经提出了可用于成像和传感应用的光电探测器。具体地，已经提出了一种将入射光量检测为电流或电压的动态变化的光电探测器(例如，专利文献1)。这种光电探测器能够用作光子计数传感器、ToF(飞行时间)传感器等。
引用列表
专利文献
专利文献1：国际公开WO 2018/167567
非专利文献
非专利文献1：Okhonin et al.,“A dynamic operation of a PIN photodiode”Applied Physics Letters,(the United States of America),2015,106,031115
发明内容
期望研究应用于图像传感器等的光电探测器的具体结构。例如，期望研究应用于多个像素布置成矩阵状的像素阵列的上述光电探测器的结构。
因此，期望提供一种能够提高像素阵列上的入射光的检测特性的光电探测器。
根据本发明实施例的光电探测器包括：设置于半导体基板的多个光电转换部。每个光电转换部包括：第一导电类型的第一区域，设置在半导体基板的第一表面所在侧；第二导电类型的第二区域，设置在半导体基板的与第一表面相对的第二表面所在侧；第三导电类型的第三区域，设置在半导体基板的第一区域和第二区域之间的区域中；第一电极，从第二表面沿半导体基板的厚度方向延伸；像素隔离层，具有绝缘性；和第二电极，从第二表面所在侧电连接至第二区域。第三区域吸收入射光。第一电极在底面电连接至第一区域。像素隔离层设置于第一电极的侧面。
根据本发明实施例的光电探测器包括：第一导电类型的第一区域，设置在半导体基板的第一表面所在侧；第二导电类型的第二区域，设置在半导体基板的与第一表面相对的第二表面所在侧；和第三导电类型的第三区域，设置在第一区域和第二区域之间的区域中。第三区域吸收入射光。根据本实施例的光电探测器使第一电极从半导体基板的第二表面沿半导体基板的厚度方向延伸且在底面电连接至第一区域，并且使第二电极从半导体基板的第二表面所在侧电连接至第二区域。由此，可以为根据本实施例的光电探测器设置布线层，该布线层可以例如在半导体基板的与光入射面相反的面上电连接至第一电极或第二电极。
附图说明
图1是示意性地图示根据本发明实施例的光电探测器的基本构造的说明图。
图2是图示光电探测器的电流-电压特性的示意曲线图。
图3是图示要施加于光电探测器的偏压的极性变化的曲线图。
图4是图示根据偏压的极性变化从光电探测器流出的电流的延迟的曲线图。
图5A是图示入射到光电探测器的光与电流增大相对于偏压变化的延迟时间之间的关系示例的示意曲线图。
图5B是图示入射到光电探测器的光与电流增大相对于偏压变化的延迟时间之间的关系示例的示意曲线图。
图5C是图示入射到光电探测器的光与电流增大相对于偏压变化的延迟时间之间的关系示例的示意曲线图。
图6是光电探测器的更具体的构造的纵断面图。
图7是图示相对于偏压的变化而导致的电流变化的曲线图。
图8A是图示光电探测器在图7的(1)时刻的电子和空穴的移动的纵断面图。
图8B是图示光电探测器在图7的(2)时刻的电子和空穴的移动的纵断面图。
图8C是图示光电探测器在图7的(3)时刻的电子和空穴的移动的纵断面图。
图8D是图示光电探测器在图7的(4)时刻的电子和空穴的移动的纵断面图。
图9A是图示光电探测器在图7的(1)的各时刻在A-AA切割面中的能带结构的曲线图。
图9B是图示光电探测器在图7的(2)的各时刻在A-AA切割面中的能带结构的曲线图。
图9C是图示光电探测器在图7的(3)的各时刻在A-AA切割面中的能带结构的曲线图。
图9D是图示光电探测器在图7的(4)的各时刻在A-AA切割面中的能带结构的曲线图。
图10是根据本发明实施例的光电探测器的基本结构的纵断面图。
图11是根据本实施例的光电探测器的基本结构的从第一表面这一侧观察到的平面图。
图12A是根据第一变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图12B是根据第一变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图13是根据第二变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图14A是根据第三变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图14B是根据第三变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图15是根据第四变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图16是根据第五变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图17A是根据第六变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图17B是根据第六变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图18是根据第七变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图19是根据第八变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图20是根据第九变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图21A是根据第十变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图21B是沿着图21A的A-AA切割面获取的平面图。
图22A是根据第十一变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图22B是沿着图22A的B-BB切割面获取的平面图。
图23是根据第十二变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图24A是根据第十三变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图24B是沿着图24A的C-CC切割面获取的平面图。
图25是根据第十四变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图26是根据第十五变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图27是说明第二区域和第一电极的形成深度的纵断面图。
图28是图示根据本实施例的光电探测器的ToF传感器操作的示例的时序图。
图29是说明ToF传感器所使用的光源的说明图。
图30A是说明光电探测器在图28的(1)的时刻的状态的纵断面图。
图30B是说明光电探测器在图28的(2)的时刻的状态的纵断面图。
图30C是说明光电探测器在图28的(3)的时刻的状态的纵断面图。
图31A是根据第一变型例的光电探测器的结构的纵断面图。
图31B是根据第一变型例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图32是图示根据第一变型例的光电探测器的驱动电压的示例的时序图。
图33A是根据第二变型例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图33B是光电探测器的结构的在图33A的A-AA切割面中的纵断面图。
图33C是光电探测器的结构的在图33A的B-BB切割面中的纵断面图。
图34是图示起到DPD传感器和PD的作用的光电探测器所包括的像素电路的等效电路的示例的电路图。
图35是按时间顺序图示将施加于光电探测器的偏压从反向偏压反转为正向偏压后的电荷移动的示意图。
图36是按时间顺序图示将施加于检测器的偏压从反向偏压反转为正向偏压后的能带结构变化的曲线图。
图37是根据本发明的第二实施例的光电探测器的基本结构的纵断面图。
图38是根据本实施例的光电探测器的基本结构的从第一表面这一侧观察到的透视平面图。
图39是说明根据第一变形例的光电探测器的构造的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图40是说明根据第二变形例的光电探测器的构造的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图41是根据第三变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图42是说明根据第四变形例的光电探测器的构造的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图43A是光电探测器的构造的在图42的A-AA切割面中的纵断面图。
图43B是光电探测器的构造的在图42的B-BB切割面中的纵断面图。
图44是按时间顺序图示将施加于光电探测器的偏压从反向偏压反转为正向偏压后的电荷移动的示意图。
图45是按时间顺序图示将施加于光电探测器的偏压从反向偏压反转为正向偏压后的能带结构变化的曲线图。
图46是根据本发明的第三实施例的光电探测器的基本结构的纵断面图。
图47是根据第一变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图48是根据第二变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图49是根据第三变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图50是根据第四变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图51是根据第五变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图52是根据第六变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图53A是说明像素隔离层、绝缘层、第二区域和第二电极的布置和形状的变形例的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图53B是说明像素隔离层、绝缘层、第二区域和第二电极的布置和形状的变形例的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图54是根据本发明的第四实施例的光电探测器的基本结构的纵断面图。
图55A是图示根据本实施例的光电探测器的能带结构的曲线图。
图55B是图示根据本实施例的光电探测器的能带结构的曲线图。
图56A是根据第一变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图56B是根据第一变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图57A是根据第二变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图57B是根据第二变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图58A是根据第三变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图58B是根据第三变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图59A是根据第四变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图59B是根据第四变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图60是根据第五变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图61A是根据第六变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图61B是根据第六变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图62A是根据第七变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图62B是根据第七变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图63A是根据第八变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图63B是根据第八变形例的光电探测器的结构的从第一表面这一侧观察到的平面图。
图64A是根据第九变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图64B是根据第九变形例的光电探测器的结构的从第一表面这一侧观察到的平面图。
图65是根据第十变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图66A是根据第十一变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图66B是根据第十一变形例的光电探测器的结构的从第一表面这一侧观察到的平面图。
图67是根据第十二变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图68是根据第十三变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图69是根据第十四变形例的光电探测器的结构的纵断面图。
图70是根据第五实施例的第一结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图71A是根据第一结构例的光电探测器的平面结构的示例的顶视图。
图71B是根据第一结构例的光电探测器的平面结构的示例的顶视图。
图72是根据第二结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图73A是根据第二结构例的光电探测器的平面结构的示例的顶视图。
图73B是根据第二结构例的光电探测器的平面结构的示例的顶视图。
图74是根据第三结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图75A是在包含第三区域的半导体层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图75B是在包含第三区域的半导体层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图76A是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图76B是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图77A是在包含第三区域的半导体层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图77B是在包含第三区域的半导体层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图78A是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图78B是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图79是根据第四结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图80A是在电荷产生层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图80B是在电荷产生层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图81A是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层741的这一区域的示例的平面图。
图81B是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层741的这一区域的示例的平面图。
图82A是在电荷产生层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图82B是在电荷产生层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图83A是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图83B是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图84是根据第五结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图85是根据第六结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图86是根据第七结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图87是根据第八结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图88是根据第九结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图89是根据第十结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图90是根据第十一结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图91是根据第十二结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图92是根据第十三结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图93A是根据第十三结构例的光电探测器的平面结构的示例的顶视图。
图93B是根据第十三结构例的光电探测器的平面结构的示例的顶视图。
图94是根据第十四结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图95A是根据第十四结构例的光电探测器的平面结构的示例的顶视图。
图95B是根据第十四结构例的光电探测器的平面结构的示例的顶视图。
图96是根据第十五结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图97A是在包含第三区域的半导体层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图97B是在包含第三区域的半导体层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图98A是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图98B是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图99A是在包含第三区域的半导体层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图99B是在包含第三区域的半导体层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图100A是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图100B是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图101是根据第十六结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图102A是在电荷产生层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图102B是在电荷产生层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图103A是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图103B是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图104A是在电荷产生层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图104B是在电荷产生层的正面侧形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图105A是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图105B是在包含第三区域的半导体层与埋设绝缘膜之间的界面处形成有钉扎层的这一区域的示例的平面图。
图106是根据第十七结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图107是根据第十八结构例的光电探测器的结构的纵断面图。
图108A是根据本发明的第六实施例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图108B是光电探测器的结构的在图108A的A-AA切割面中的纵断面图。
图108C是光电探测器的结构的在图108A的B-BB切割面中的纵断面图。
图109是光电探测器包含的像素电路中所包括的像素晶体管的布置的示例的平面图。
图110是图示起到DPD传感器和PD的作用的光电探测器所包括的像素电路的等效电路的示例的电路图。
图111是图示根据本实施例的光电探测器的ToF传感器操作的示例的时序图。
图112是说明ToF传感器所使用的光源的说明图。
图113A是说明光电探测器在图111的(1)的时刻的状态的纵断面图。
图113B是说明光电探测器在图111的(2)的时刻的状态的纵断面图。
图113C是说明光电探测器在图111的(3)的时刻的状态的纵断面图。
图114是图示根据本实施例的光电探测器的PD操作的示例的时序图。
图115A是说明光电探测器在图114的(1)的时刻的状态的纵断面图。
图115B是说明光电探测器在图114的(2)的时刻的状态的纵断面图。
图115C是说明光电探测器在图114的(3)的时刻的状态的纵断面图。
图115D是说明光电探测器在图114的(4)的时刻的状态的纵断面图。
图115E是说明光电探测器在图114的(5)的时刻的状态的纵断面图。
图116是图示根据本实施例的光电探测器为像素阵列时的功能构造的框图。
图117A是根据第一变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图117B是光电探测器的结构的在图117A的A-AA切割面中的纵断面图。
图117C是光电探测器的结构的在图117A的B-BB切割面中的纵断面图。
图118A是根据第二变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图118B是光电探测器的结构的在图118A的A-AA切割面中的纵断面图。
图118C是光电探测器的结构的在图118A的B-BB切割面中的纵断面图。
图119A是根据第三变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图119B是光电探测器的结构的在图119A的A-AA切割面中的纵断面图。
图119C是光电探测器的结构的在图119A的B-BB切割面中的纵断面图。
图120A是根据第四变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图120B是光电探测器的结构的在图120A的A-AA切割面中的纵断面图。
图120C是光电探测器的结构的在图120A的B-BB切割面中的纵断面图。
图121A是根据第五变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图121B是光电探测器的结构的在图121A的A-AA切割面中的纵断面图。
图121C是光电探测器的结构的在图121A的B-BB切割面中的纵断面图。
图122A是根据第六变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图122B是光电探测器的结构的在图122A的A-AA切割面中的纵断面图。
图122C是光电探测器的结构的在图122A的B-BB切割面中的纵断面图。
图123A是根据第七变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图123B是光电探测器的结构的在图123A的A-AA切割面中的纵断面图。
图123C是光电探测器的结构的在图123A的B-BB切割面中的纵断面图。
图124A是根据第八变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图124B是光电探测器的结构的在图124A的A-AA切割面中的纵断面图。
图124C是光电探测器的结构的在图124A的B-BB切割面中的纵断面图。
图125A是根据第九变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图125B是光电探测器的结构的在图125A的A-AA切割面中的纵断面图。
图125C是光电探测器的结构的在图125A的B-BB切割面中的纵断面图。
图126A是根据第十变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图126B是光电探测器的结构的在图126A的A-AA切割面中的纵断面图。
图126C是光电探测器的结构的在图126A的B-BB切割面中的纵断面图。
图127A是根据第十一变形例的光电探测器的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
图127B是光电探测器的结构的在图127A的A-AA切割面中的纵断面图。
图127C是光电探测器的结构的在图127A的B-BB切割面中的纵断面图。
图128是图示了其中多个像素布置成矩阵状的像素阵列的平面构造的示例的示意图。
图129是说明根据本实施例的光电探测器的DPD操作和PD操作之间的切换的概念图。
图130是图示根据本实施例的光电探测器的DPD操作和PD操作之间的切换的流程的示例的流程图。
图131是图示通过DPD进行光子计数操作的概要的框图。
图132是图示入射到DPD上的光子与检测信号之间关系的曲线图。
图133是图示根据本实施例的光电探测器的光子计数操作的示例的时序图。
图134A是光电探测器在图133的(1)的时刻的状态的纵断面图。
图134B是光电探测器在图133的(2)的时刻的状态的纵断面图。
图134C是光电探测器在图133的(3)的时刻的状态的纵断面图。
图135是图示根据本实施例的光电探测器应用于进行光子计数操作的像素阵列的功能构造的框图。
图136是根据本发明第七实施例的光电探测器的结构的纵断面图。
图137是说明从光电探测器输出的电流的各种时间响应的曲线图。
图138是图示相对于图137所示的各种时间响应的线性偏差的曲线图。
图139是根据本实施例的光电探测器的像素阵列的构造的平面图。
图140是图示图139所示的像素阵列中的普通像素的输出与参考像素的输出之间关系的曲线图。
图141是说明普通像素和参考像素的平面布置的第一变形例的示意平面图。
图142是沿着图141的A-AA切割面获取的横截面构造的纵断面图。
图143是说明普通像素和参考像素的平面布置的第二变形例的示意平面图。
图144是沿着图143的B-BB切割面获取的横截面构造的纵断面图。
图145是说明普通像素和参考像素的平面布置的第三变形例的示意平面图。
图146是沿着图145的C-CC切割面获取的横截面构造的纵断面图。
图147是说明普通像素和参考像素的平面布置的第四变形例的示意平面图。
图148是普通像素和参考像素的横截面构造的第五变形例的纵断面图。
图149是图示参考像素的开口面积与正向电流上升的延迟时间之间关系的曲线图。
图150是图示根据本实施例的光电探测器为像素阵列时的第一电路构造的框图。
图151是图示根据本实施例的光电探测器为像素阵列时的第二电路构造的框图。
图152是图示根据本实施例的光电探测器为像素阵列时的第三电路构造的框图。
图153是图示根据本实施例的光电探测器为像素阵列时的第四电路构造的框图。
图154是光电探测器的堆叠结构的示例的示意性立体图。
图155是应用光电探测器的固态成像元件的基板构造的立体图。
图156是光电探测器的受光芯片的平面构造的平面图。
图157是光电探测器的逻辑芯片的平面构造的平面图。
图158是图示光电探测器的电路构造的框图。
图159是图示应用光电探测器的固态成像器件的构造的框图。
图160A是应用光电探测器的固态成像器件的有效像素的横截面构造示例的纵断面图。
图160B是应用光电探测器的固态成像器件的遮光像素(shielding pixel)的横截面构造示例的纵断面图。
图161是图示了作为使用了传感器芯片的电子装置的距离图像传感器的构造例的框图，在该传感器芯片中使用了光电探测器。
图162是图示了测距模块的构造例的框图，该测距模块通过使用光电探测器输出测距信息。
图163A是在电子用作信号载体的情况下的光电探测器的构造的纵断面图。
图163B是在空穴用作信号载体的情况下的光电探测器的构造的纵断面图。
具体实施方式
下文将参照附图详细说明本发明的实施例。下面说明的实施例是本发明的具体示例。根据本发明的技术不应限于以下实施方式。此外，根据本发明的每个部件的布置、尺寸、尺寸比例等不限于附图中所示的方式。
应注意，将按以下顺序进行说明。
0.光电探测器的原理
1.第一实施例
2.第二实施例
3.第三实施例
4.第四实施例
5.第五实施例
6.第六实施例
7.第七实施例
8.应用例
9.附录
<0.光电探测器的原理>
首先，参照图1至图4对根据本发明实施例的光电探测器的光检测原理进行说明。图1是示意性地图示根据本实施例的光电探测器10的基本构造的说明图。图2是图示光电探测器10的电流-电压特性的示意曲线图。图3是图示要施加于光电探测器10的偏压的极性变化的曲线图。图4是图示根据偏压的极性变化从光电探测器10流出的电流的延迟的曲线图。
应注意，在本说明书中，纵向或上/下方向是指基板或层的厚度方向。此外，横向或左/右方向是指基板或层的面内的一个方向(例如，横截面图中基板或层的切割方向)。
如图1所示，根据本实施例的光电探测器10包括第一区域11、第二区域12和设置在第一区域11和第二区域12之间的第三区域13。
第一区域11例如是电连接至地等的第一导电类型(例如，N型)的半导体区域。第二区域12是与能够控制施加电压的电极电连接的第二导电类型(例如，P型)的半导体区域。第三区域13是设置在第一区域11和第二区域12之间的第三导电类型(例如，I型)的半导体区域。第三区域13吸收入射光。
即，光电探测器10是所谓的PIN二极管。如图2所示，要施加的偏压的极性极大地改变电压-电流特性。具体而言，因为向第二区域12施加的偏压是具有负电压的反向偏压，所以无论施加的偏压如何，在第一区域11和第二区域12之间几乎没有电流流动。与此相反，因为在向第二区域12施加正电压的正向偏压状态下，偏压是正向偏压，所以随着所施加的偏压增大，在第一区域11和第二区域12之间突然电流流动。
这里，如图3和图4所示，在施加到光电探测器10的偏压的极性从反向偏压变为正向偏压的情况下，光电探测器10流出的电流从电流IR(对应于偏压VR)增大到电流IF(对应于偏压VF)之前有一个时间t的延迟。在这种情况下，从电流IR变化到电流IF的延迟时间t根据光电探测器10的第三区域13中吸收的光的强度而变化。这使得光电探测器10能够通过在施加的偏压的极性改变的情况下测量电流增大的延迟时间来估计入射光的强度。这种光电探测器10也被称为例如DPD(动态光电二极管)传感器。
随后，参照图5A至5C，更具体地说明入射到光电探测器10上的光的强度与电流增大相对于偏压变化的延迟时间之间的关系。图5A至5C均是图示了入射到光电探测器10上的光与电流增大相对于偏压变化的延迟时间之间的关系的示例的示意曲线图。
如图5A所示，在没有光入射的情况下，假设光电探测器10中电流增大相对于偏压的极性变化的延迟时间为t1。在这样的光电探测器10中，如图5B所示，入射光使电流增大相对于偏压的极性变化的延迟时间为t2，短于t1。此外，在光电探测器10中，如图5C所示，比图5B的入射光更强的入射光致使电流增大相对于偏压的极性变化的延迟时间为t3，仍短于t3。这使得这种光电探测器10能够通过测量从偏压的极性变化到电流增大所经过的时间来计算入射光的量。
此外，参照图6至图9D，更详细地说明电流增大之前经过的延迟时间根据光电探测器10中的入射光量而改变的原理。图6是图示光电探测器10的更具体构造的纵断面图。图7是图示相对于偏压的变化，电流变化的曲线图。图8A至8D是图示光电探测器10在图7的(1)至(4)各时刻的电子和空穴的移动的纵断面图。图9A至9D是图示光电探测器10在图7的(1)至(4)各时刻的在A-AA切割面中的能带结构的曲线图。
如图6所示，光电探测器10包括例如第一区域11、第二区域12、第三区域13、第一电极21、第一表面绝缘层16、像素隔离层15、第二电极22、控制栅极25和栅极绝缘膜26。
第一区域11是设置在诸如硅(Si)的半导体基板的第一表面所在侧的第一导电类型区域(例如，N+层)。第二区域12是设置在与诸如硅(Si)的半导体基板的第一表面相反的第二表面所在侧的第二导电类型区域(例如，P+层)。第三区域13是设置在诸如硅(Si)的半导体基板的第一区域11和第二区域12之间的第三导电类型区域(例如，i层)。
第一电极21设置在半导体基板的第一表面上，第一电极与半导体基板的第一表面之间插入有第一表面绝缘层16。第一电极21通过贯穿第一表面绝缘层16的通孔等电连接至第一区域11。第一电极21用作例如阴极电极。
像素隔离层15是由在厚度方向上贯穿半导体基板的绝缘体设置的。例如，像素隔离层15设置为将设置在半导体基板的面内方向上的多个像素中的每一个像素都彼此电隔离。
第二电极22设置在半导体基板的第二表面上。第二电极22电连接至第二区域12。第二电极22用作例如阳极电极。
控制栅极25是设置在半导体基板的第二表面上的栅极电极，并且在控制栅极25与半导体基板的第二表面之间插入有栅极绝缘膜26。控制栅极25设置为通过施加电压来控制第三区域13中势垒(potential barrier)PB的高度。稍后说明势垒PB。
第一电极21、第二电极22和控制栅极25可以均通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)，或其他导电材料制成。第一表面绝缘层16、像素隔离层15和栅极绝缘膜26可以均通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体制成。
这里，如图7所示，施加到第一电极21的电压表示为Vc，施加到第二电极22的电压表示为Va，且施加到控制栅极25的电压表示为Vg。在这种情况下，可以以反向偏压模式控制光电探测器10，例如，通过将第一电极21的电压Vc控制为0V，且将第二电极22的电压Va和控制栅极25的电压Vg控制为-1V。此外，可以以正向偏压模式控制光电探测器10，例如，通过将第一电极21的电压Vc控制为0V，且将第二电极22的电压Va和控制栅极25的电压Vg控制为+1V。
这里，在反向偏压模式的状态(1)下，如图8A所示，第三区域13中的电子e被排出至第一区域11，而第三区域13中的空穴h被排出至第二区域12。因此，如图9A所示，这种情况下的光电探测器10的能带结构具有第二区域12侧高且第一区域11侧低的结构。这使得第三区域13处于耗尽状态。
接着，在电压的极性从反向偏压模式转变为正向偏压模式的状态(2)下，如图8B所示，在与第一区域11和第二区域12相邻的区域中产生势垒PB。即，这种情况下的光电探测器10的能带结构具有下述结构：其中，如图9B所示，光电探测器10包括在第一区域11和第二区域12之间凹入或凸出的势垒PB。这阻止了电子e和空穴h在第三区域13中的流动，因此几乎没有电流流过光电探测器10。
随后，在正向偏压模式的光电探测器10被光照射的状态(3)下，如图8C所示，在耗尽状态的第三区域13中产生了由入射光的光电转换而获得的电子e和空穴h。在这种情况下，在光电探测器10的能带结构中，如图9C所示，通过对入射光进行光电转换而获得的电子e和空穴h降低势垒PB的高度。这使电子e逐渐从第一区域11流出或使空穴h逐渐从第二区域12流出。因此，流动的电子e和空穴h进一步降低势垒PB的高度。
因此，在正向偏压模式的状态(4)下，如图8D所示，在与第一区域11和第二区域12相邻的区域中产生的势垒PB消失。这使具有正向方向的电流在光电探测器10中流动。即，这种情况下的光电探测器10的能带结构是大致平坦的结构，其中，如图9D所示，曾存在于第一区域11和第二区域12之间的凹入或凸出的势垒PB消失。
因此，在光电探测器10中，在施加的偏压的极性从反向偏压变为正向偏压的情况下，势垒PB消失的速度根据入射光的量而不同。所以，光电探测器10能够通过利用具有正向方向的电流开始流动之前经过的时间测量势垒PB消失之前经过的时间来测量光的入射量。
下文将在第一至第七实施例中分别说明其原理已在上文中说明的光电探测器10的更具体结构。应注意，下文中说明的像素对应于根据本发明的“光电转换部”的具体示例。
<1.第一实施例>
(基本结构)
首先，参照图10和11说明根据本发明第一实施例的光电探测器的基本结构。图10是根据本实施例的光电探测器300的基本结构的纵断面图，图11是根据本实施例的光电探测器300的基本结构的从第一表面这一侧观察到的平面图。
如图11所示，光电探测器300包括例如第一区域310、第二区域320、第三区域330、第一电极311、上部第一电极312、像素隔离层351、上部像素隔离层352、第一表面绝缘层353、第二电极321、控制栅极361和栅极绝缘膜362。
第一区域310是设置在诸如硅(Si)的半导体基板的第一表面这一侧的第一导电类型区域(例如，N+层)。第一区域310设置在沿着半导体基板的第一表面以及上部像素隔离层352的区域，上部像素隔离层352设置在从半导体基板的第一表面在半导体基板的厚度方向上延伸的上部第一电极312(稍后详细说明)的侧面。
第二区域320是设置在诸如硅(Si)的半导体基板的与第一表面相反的第二表面这一侧的第二导电类型区域(例如，P+层)。
第三区域330是设置在诸如硅(Si)的半导体基板的第一区域310和第二区域320之间的第三导电类型区域(例如，i层)。
第一电极311设置在各像素之间的边界且从半导体基板的第二表面沿半导体基板的厚度方向延伸。第一电极311在底面邻接上部第一电极312。上部第一电极312的宽度小于第一电极311的宽度。上部第一电极312的宽度小于第一电极311的宽度并且设置为在半导体基板的厚度方向上从第一电极311的底面延伸到半导体基板的第二表面。
这里，第一电极311的宽度大于上部第一电极312的宽度。因此，第一电极311的与上部第一电极312邻接的底面的一部分不被上部第一电极312覆盖。这使第一电极311可以在第一电极311的底面的一部分处电连接至第一区域310。第一区域310设置为沿着上部第一电极312的侧面。第一电极311和上部第一电极312均用作例如阴极电极。第一电极311和上部第一电极312从半导体基板的第二表面这一侧电连接至布线层。
第一电极311与上部第一电极312可以例如通过在第一开口和第二开口中填充导电材料来形成。第一开口在厚度方向上从第二表面至第一表面延伸穿过半导体基板。第二开口的开口宽度大于第一开口的开口宽度。第二开口通过在厚度方向将半导体基板的挖掘一半而形成。即，上部第一电极312可以通过在第一开口中填充导电材料来形成，且第一电极311可以通过在第二开口中填充导电材料来形成。
像素隔离层351设置在第一电极311的侧面，且上部像素隔离层352设置在上部第一电极312的侧面。因此，关于第一电极311和上部第一电极312，像素隔离层351和上部像素隔离层352能够使第一电极311和上部第一电极312的台阶状的上表面相对于第一区域310露出。因此，像素隔离层351和上部像素隔离层352能够在将光电探测器300彼此电隔离的同时允许第一电极311电连接至第一区域310。光电探测器300设置为在半导体基板的面内方向上彼此相邻。
第一表面绝缘层353设置在半导体基板的第一表面。第一表面绝缘层353例如可以保护包含第一区域310的半导体基板免受外界影响。
因此，如图11所示，在光电探测器300的半导体基板的第一表面侧，不形成第一电极311、上部第一电极312以及与这些电极电连接的布线，而是第一表面绝缘层353形成为遍布整个表面。这使得光电探测器300能够增大第一表面(即光入射面)的开口率。
第二电极321设置在半导体基板的与第一表面相反的第二表面。第二电极321电连接至第二区域320。第二电极321用作例如阳极电极。第二电极321从半导体基板的第二表面侧电连接至布线层。
控制栅极361是隔着栅极绝缘膜362设置在半导体基板的第二表面上的栅极电极。控制栅极361设置为通过施加电压来控制第三区域330中的势垒。
第一电极311、上部第一电极312、第二电极321和控制栅极361均可以通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)，或其他导电材料制成。像素隔离层351、上部像素隔离层352、第一表面绝缘层353和栅极绝缘膜362均可以通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体制成。
根据本实施例的光电探测器300设置为背面(即，第一表面)照射型CMOS(互补MOS)图像传感器。这使得可以增大作为光入射面的背面这一侧的开口率。具体地，使用第一电极311可以使光电探测器300将阴极电极从半导体基板的第二表面侧电连接至第一区域310。第一电极311从半导体基板的第二表面在半导体基板的厚度方向上延伸。这使得光电探测器300能够通过在半导体基板的与光入射面相反的正面(即，第二表面)设置与第一区域310和第二区域320电连接的各种电极和布线，以增大作为光入射面的背面(即，第一表面)的开口率。
此外，根据本实施例的光电探测器300具有在半导体基板的厚度方向上布置的第一区域310和第二区域320。因此，能够进一步减小占有面积。这使得光电探测器300能够更有效地使像素小型化。此外，在半导体基板的厚度方向上延伸的像素隔离层351和上部像素隔离层352能够使得根据本实施例的光电探测器300抑制像素之间的串扰。因此，能够进一步降低噪声。
(变形例)
随后，参照图12A至27，说明根据本实施例的光电探测器300的结构的变形例。
(第一变形例)
图12A是图示根据第一变形例的光电探测器300的结构的纵断面图。图12B是根据第一变形例的光电探测器300的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
如图12A和12B所示，第一电极311设置为围绕对应于像素的矩形区域的整个周边，且像素隔离层351设置为沿着第一电极311的矩形形状的内部。第二区域320可以以岛状设置在例如由第一电极311和像素隔离层351限定的区域的大致中心。此外，控制栅极361和栅极绝缘膜362均可以例如设置为在半导体基板的面内方向上围绕第二区域320的周边。
根据第一变形例，光电探测器300A通过在半导体基板的厚度方向上布置第一区域310和第二区域320，从而可以进一步减小占有面积。此外，在第一电极311的矩形形状的内部设置像素隔离层351可以使得光电探测器300A抑制像素之间的串扰。
(第二变形例)
图13是根据第二变形例的光电探测器300B的结构的纵断面图。
如图13所示，光电探测器300B不是必须设置有上部第一电极312和上部像素隔离层352。在这种情况下，第一电极311设置为从半导体基板的第二表面在半导体基板的厚度方向上延伸，且可以将第一电极311在底面电连接至第一区域310。即使采用这种构造，光电探测器300B也可以通过像素隔离层351抑制相邻像素之间的串扰。
根据第二变形例，光电探测器300B不设置有上部第一电极312和上部像素隔离层352。这可以进一步减少制造工艺中的步骤数量。此外，通过从光电探测器300B中消除上部像素隔离层352与第一区域310或第三区域330之间的界面，可以消除可能成为暗电流产生源的界面。这可以减小暗噪声(dark-time noise)。
(第三变形例)
图14A是根据第三变形例的光电探测器300C的结构的纵断面图。图14B是根据第三变形例的光电探测器300C的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
如图14A所示，控制栅极361C可以设置为具有垂直栅极结构。具体地，控制栅极361C可以设置为从半导体基板的第二表面侧在半导体基板的厚度方向上延伸。此外，埋入半导体基板的控制栅极361C的侧面和底面可以设置有栅极绝缘膜362C。控制栅极361C的周围可以设置有第二导电类型(例如，P型)的杂质区363。在这种情况下，如图14B所示，控制栅极361C设置为在半导体基板的面内方向上围绕第二区域320的周边。第二导电类型(例如，P型)的杂质区363设置为围绕控制栅极361C的周边。
根据第三变形例，光电探测器300C可以进一步提高在与第二区域320相邻的区域中产生的势垒的可控性。因此，可以进一步提高入射光的检测特性。
(第四变形例)
图15是根据第四变形例的光电探测器300D的结构的纵断面图。
如图15所示，控制栅极361D可以设置为具有垂直栅极结构。此外，电极364可以电连接至杂质区363。施加电压Vpin使电极364可以控制杂质区363的电势。
根据第四变形例，光电探测器300D可以通过控制施加到杂质区363的电压Vpin为负电压来进一步增强第二区域320的钉扎效果。因此，光电探测器300D可以进一步提高入射光的检测特性。
(第五变形例)
图16是根据第五变形例的光电探测器300E的结构的纵断面图。
如图16所示，第二区域320、控制栅极361E、栅极绝缘膜362E和杂质区363在半导体基板的厚度方向上的形成深度在各像素之间可以不同。这使光电探测器300E可以包括各像素之间厚度不同的第三区域330。每个第三区域330都吸收入射光。这使得能够针对每个像素改变由第三区域330吸收的光的波段。
根据第五变形例，光电探测器300E能够针对各像素检测波长带不同的各种光。因此，能够进行更复杂的传感。
(第六变形例)
图17A是根据第六变形例的光电探测器300F的结构的纵断面图。图17B是根据第六变形例的光电探测器300F的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
如图17A所示，控制栅极361F可以设置为具有垂直栅极结构。控制栅极361F可以设置为贯穿第二区域320，且隔着栅极绝缘膜362F埋入半导体基板中。此外，如图17B所示，在半导体基板的面内方向上，第二区域320可以以圆形形状设置在由第一电极311和像素隔离层351限定的区域的大致中心处。控制栅极361F可以设置为贯穿第二区域320的中心。
根据第六变形例，光电探测器300F可以进一步提高在与第二区域320相邻的区域中产生的势垒的可控性。因此，可以进一步提高入射光的检测特性。
(第7变形例)
图18是根据第七变形例的光电探测器300G的结构的纵断面图。
如图18所示，控制栅极361G可以设置为具有垂直栅极结构。控制栅极361G可以设置为贯穿第二区域320，且隔着栅极绝缘膜362G埋入半导体基板中。此外，在各像素之间，第二区域320、控制栅极361G和栅极绝缘膜362G在半导体基板的厚度方向上的形成深度可以不同。因此，由于光电探测器300G可以使吸收入射光的第三区域330的厚度针对每个像素而不同，所以第三区域330吸收的光的波长带能够针对每个像素而改变。
根据第七变形例，光电探测器300G可以针对各像素检测不同波长带中的光。因此，能够进行更复杂的传感。
(第八变形例)
图19是根据第八变形例的光电探测器300H的结构的纵断面图。
如图19所示，第一区域310在半导体基板的厚度方向上的形成深度可以针对各像素而不同。因此，由于光电探测器300H可以使吸收入射光的第三区域330的厚度针对每个像素而不同，所以第三区域330吸收的光的波长带能够针对各像素而改变。
根据第八变形例，光电探测器300H可以针对各像素检测不同波长带中的光。因此，能够进行更复杂的传感。
(第九变形例)
图20是根据第九变形例的光电探测器300I的结构的纵断面图。
如图20所示，光电探测器300I的第二表面(即，与背面相反的正面)还可以设置多层布线层370，该多层布线层370接合到包括有电路部381的电路板380。多层布线层370包括布线和通孔。多层布线层370使用电极接合结构383(也称为CuCu接合结构)将布线和通孔与从电路板380的绝缘层382露出的电极电连接。
根据第九变形例，光电探测器300I可以在半导体基板的厚度方向上堆叠电路板380。这可以进一步减小芯片面积。电路板380包括电路部381。
(第十变形例)
图21A是根据第十变形例的光电探测器300J的结构的纵断面图。图21B是沿着图21A的A-AA切割面获取的平面图。
如图21A所示，光电探测器300J的第二表面(即，与背面相反的正面)还可以设置与包括有电路部381的电路板380接合的多层布线层370。
这里，可以在由第一电极311和像素隔离层351限定的整个像素区域上设置有电极接合结构383J(也称为CuCu接合结构)。电极接合结构383J将多层布线层370的布线和通孔与从电路板380的绝缘层382露出的电极电连接。这使电极接合结构383J可以通过反射已经穿过第三区域330并进入多层布线层370侧的光来提高第三区域330的光电转换效率。具体地，如图21B所示，电极接合结构383J可以设置为遍布整个像素，而电极或布线被分开以使通孔371和372彼此电隔离。通孔371和372连接至不同的电极。
根据第十变形例，光电探测器300J可以使第三区域330具有更高的光电转换效率。因此，可以提高入射光的检测灵敏度。
(第十一变形例)
图22A是根据第十一变形例的光电探测器300K的结构的纵断面图。图22B是沿着图22A的B-BB切割面获取的平面图。
如图22A所示，光电探测器300K的第二表面(即，与背面相反的正面)还可以设置与包括有电路部381的电路板380接合的多层布线层370。
这里，可以在由第一电极311和像素隔离层351限定的整个像素区域上设置有布线373。布线373被包括在多层布线层370中。这使布线373可以通过反射已经穿过第三区域330并进入多层布线层370侧的光来提高第三区域330的光电转换效率。具体地，如图22B所示，与控制栅极361电连接的布线373可以设置为遍布整个像素以围绕第二电极321的周边。
根据第十一变形例，光电探测器300K可以使第三区域330具有更高的光电转换效率。因此，可以提高入射光的检测灵敏度。
(第十二变形例)
图23是根据第十二变形例的光电探测器300L的结构的纵断面图。
如图23所示，光电探测器300L的第一表面(即，作为光的入射面的背面)还可以设置散射结构355L。散射结构355L是以小于或等于入射光的波长的重复周期设置的凹凸结构。散射结构355L的示例包括蛾眼结构或类似的结构。通过散射入射到光电探测器300L上的光，散射结构355L可以降低入射光贯穿第三区域330的可能性。应注意，散射结构355L可以通过对半导体基板的第一表面进行处理而形成，或可以通过在半导体基板的第一表面上堆叠凹凸结构而形成。
根据第十二变形例，光电探测器300L可以通过散射入射光来提高第三区域330的光电转换效率。因此，光电探测器300L可以提高入射光的检测灵敏度。
(第十三变形例)
图24A是根据第十三变形例的光电探测器300M的结构的纵断面图。图24B是沿着图24A的C-CC切割面获取的平面图。
如图24A所示，光电探测器300M的第一表面(即，作为光的入射面的背面)还可以设置有衍射光栅结构355M。例如，如图24B所示，衍射光栅结构355M可以具有这样的结构：其中，多个凹入和多个凸出以同心圆的形状与入射光的波长对应地间隔形成。衍射光栅结构355M使入射到光电探测器300M上的光分支成多个路径，从而能够将入射光会聚在像素中的预定位置。
根据第十三变形例，光电探测器300M能够通过将入射光会聚在预定位置来提高第三区域330的光电转换效率。因此，光电探测器300M可以提高入射光的检测灵敏度。
(第十四变形例)
图25是根据第十四变形例的光电探测器300N的结构的纵断面图。
如图25所示，在光电探测器300N中，第一区域310电连接至设在半导体基板的第一表面上的第一表面电极313N，且在第一区域310与第一表面电极313N之间设置有第一表面绝缘层353。第一表面电极313N用作阴极电极。第一表面电极313N可以通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)或其他导电材料而制成。
另一方面，第一电极311不与第一区域310电连接，而是与设置在第三区域330内部的第二导电类型的第二导电类型区域363N电连接。这使第一电极311能够通过第二导电类型区域363N控制第三区域330的电势。这使第一电极311能够用作对第三区域330中产生的势垒进行控制的电极。
根据第十四变形例，光电探测器300N可以进一步提高第三区域330中产生的势垒的可控性。因此，可以进一步提高入射光的检测特性。
(第十五变形例)
图26是根据第十五变形例的光电探测器300O的结构的纵断面图。
如图26所示，光电探测器300O在半导体基板的第一表面侧设置有第二导电类型(例如，P型)的第一区域310O，且在与第一表面相反的第二表面侧设置有第一导电类型(例如，N型)的第二区域320O。在这种情况下，与第一区域310O电连接的第一电极311用作阳极电极，且与第二区域320O电连接的第二电极321用作阴极电极。即便这种构造也可以使光电探测器300O能够检测每个像素的入射光。
根据第十五变形例，光电探测器300O可以交换导电区域的极性。这可以提高结构设计的自由度。
上面已经说明了根据本实施例的光电探测器300的结构的变形例。
然而，期望确保第一区域310和第二区域320之间的距离从而抑制光电探测器300的DCR(暗计数率)。即，第二区域320的形成深度和第一电极311在半导体基板的厚度方向上的形成深度之间具有期望的关系。这里，将参照图27说明这种关系。图27是说明第二区域320和第一电极311的形成深度的纵断面图。
如图27所示，第二区域320距半导体基板的第二表面的形成深度表示为h_P+，第一电极311从半导体基板的第二表面至底面的形成深度表示为h_D，上部第一电极312从半导体基板的第二表面至底面的形成深度(即，从半导体基板的第二表面至第一表面的距离)表示为h_F。为了确保第一区域310和第二区域320之间的距离，期望h_D与h_P+和h_F具有以下关系：
h_P+<h_D<h_F
在第二区域320的形成深度h_P+和第一电极311的形成深度h_D具有上述关系的情况下，光电探测器300能够抑制DCR(暗计数率)。应注意，在第一电极311的形成深度h_D过大的情况下，制造步骤的工艺精度可能降低，进而成品率降低。因此，在能够保持期望的工艺精度的范围内将第一电极311的形成深度h_D设置得更大是期望的。
(操作示例)
接着，将参照图28至30C说明根据本实施例的光电探测器300作为ToF(飞行时间)传感器的操作示例。图28是图示根据本实施例的光电探测器300的ToF传感器的操作示例的时序图。图29是说明ToF传感器所使用的光源的说明图。图30A是说明光电探测器300在图28的时刻(1)的状态的纵断面图，图30B是说明光电探测器300在图28的时刻(2)的状态的纵断面图，图30C是说明光电探测器300在图28的时刻(3)的状态的纵断面图。
如图28和30A所示，首先，在图28中的时刻(1)将正电压施加至要施加到开关晶体管的栅极的电压VSW，以使开关晶体管导通。随后，假设要被施加到第二电极321的电压Va为负电压(例如，-1V)。在这种情况下，施加到第一电极311的电压Vc为0V。因此，在光电探测器300的第一区域310和第二区域320之间施加了反向偏压。应注意，施加到控制栅极361的电压Vg被设置为负电压(例如，-1V)。
这里，如图28、29和30B所示，在图28中的时刻(2)施加脉冲负电压Vlight到诸如激光二极管或LED(发光二极管)等光源LD，以使用脉冲光照射目标。同时，将正电压(例如，+1V)作为要施加到第二电极321的电压Va进行施加，以在光电探测器300的第一区域310和第二区域320之间施加正向偏压。此外，施加到控制栅极361的电压Vg被设置为正电压(例如，+1V)。
之后，被目标反射的脉冲光入射到光电探测器300上，从第二电极321输出的电流值从时刻(2)延迟并增大。这使光电探测器300可以通过计算光源LD的发光时刻t2与光检测的延迟时间t1之间的差来计算到目标的距离。
此外，如图28和30C所示，在图28中的时刻(3)将负电压(例如，-1V)作为电压Va施加到第二电极321。这在光电探测器300的第一区域310和第二区域320之间施加反向偏压。从而复位光电探测器300的状态。应注意，施加到控制栅极361的电压Vg可以被同样地设置为负电压(例如，-1V)。
通过重复上述的操作作为一帧，光电探测器300能够针对每一帧检测与目标的距离。
(变型例)
随后，将参照图31A至34说明根据本实施例的光电探测器300的结构的第一和第二变型例。
(第一变型例)
图31A是根据第一变型例的光电探测器300P的结构的纵断面图。图31B是根据第一变型例的光电探测器300P的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。图32是图示根据第一变型例的光电探测器300P的驱动电压的示例的时序图。
如图31A所示，在光电探测器300P中，代替控制栅极361和栅极绝缘膜362，在半导体基板的第二表面这一侧设置电势控制区域365。光电探测器300P可以通过向电势控制区域365施加电压来控制在与第二区域320相邻的区域中产生的势垒。
电势控制区域365是第一导电类型区域(例如，N+层)。电势控制区域365设置为围绕第二区域320，并且绝缘层366插入在电势控制区域365与第二区域320之间。即，如图31B所示，在半导体基板的第二表面侧，第二区域320以岛状设置在由第一电极311和像素隔离层351限定的区域的大致中心处。此外，绝缘层366设置为围绕第二区域320的周边，且电势控制区域365设置为围绕绝缘层366的周边。
如图32所示，即使采用这种构造，通过以与控制栅极361相同的方式控制施加到电势控制区域365的电压Vg，光电探测器300P能够检测入射光。
(第二变型例)
图33A是根据第二变型例的光电探测器300Q的结构的从第二表面侧观察到的平面图。图33B是光电探测器300Q的结构在图33A的A-AA切割面中的纵断面图。图33C是光电探测器300Q的结构在图33A的B-BB切割面中的纵断面图。
如图33A至33C所示，根据第二变型例的光电探测器300Q与根据第一变型例的光电探测器300P的不同之处在于：根据第二变型例的光电探测器300Q还包括传输栅极和浮动扩散区，且还能够用作一般的光电二极管(PD)。
具体地，如图33A和33B所示，与根据第一变型例的光电探测器300P类似，光电探测器300Q包括第一区域310、第三区域330、第二区域320、绝缘层366、电势控制区域365和向电势控制区域365施加电压的电极367。这使光电探测器300Q可以在半导体基板的平面中的第一方向(图33A中的纵向方向)上用作DPD传感器。
此外，如图33A和33C所示，光电探测器300Q包括第一区域310、第三区域330、第二区域320、第一导电类型区域391、传输栅极TRG，第二导电类型的浮动扩散区FD以及提取电极393。这使光电探测器300Q可以在与半导体基板的平面中的第一方向正交的第二方向(图33A中的横向方向)上用作一般的PD。
具体地，向隔着栅极绝缘膜392设置在半导体基板的第二表面上的传输栅极TRG施加电压，从而能够将电荷从第二区域320经由第一导电类型区域391传输到浮动扩散区FD。传输到浮动扩散区FD的电荷例如从提取电极393提取到像素电路等。
应注意，像素电路中包括的像素晶体管可以设置在例如与像素隔离层351相邻设置的像素晶体管区域Tr中。例如，像素电路中包括的复位晶体管、放大晶体管、选择晶体管或开关晶体管中的至少一者或多者可以设置在像素晶体管区域Tr中。设置在像素晶体管区域Tr中的每个晶体管可以通过例如通过挖掘半导体基板而设置的绝缘层而彼此电绝缘。
根据第二变型例的光电探测器300Q可以包括例如其等效电路如图34所示的像素电路。图34是图示用作DPD传感器和PD的光电探测器300Q中包括的像素电路的等效电路的示例的电路图。应注意，DPD/PD表示具有PIN二极管结构的光电转换部，在该结构中，堆叠有上述的第一区域310、第三区域330和第二区域320。
如图34所示，作为DPD传感器侧的像素电路，光电转换部DPD通过开关晶体管SW与电源Va电连接。此外，作为PD侧的像素电路，光电转换部PD通过传输晶体管TRG与浮动扩散区FD电连接。
此外，电源Vd还通过复位晶体管RST连接至浮动扩散区FD。此外，放大晶体管AMP的栅极连接至浮动扩散区FD。放大晶体管AMP的漏极连接至电源Vd，放大晶体管AMP的源极通过选择晶体管SEL连接至外部输出Output。应注意，DPD传感器侧的电源Va和PD侧的电源Vd可以是彼此不同的电源，也可以是同一电源。根据第二变型例的光电探测器300Q包括这样的像素电路。这使得根据第二变型例的光电探测器300Q可以用作DPD传感器和PD。
<2.第二实施例>
(基本结构)
接着，参照图35至38说明根据本发明第二实施例的光电探测器的基本结构。
首先，参照图35和36说明根据本实施例的光电探测器的基本特性。根据本实施例的光电探测器是所谓的DPD传感器，其通过测量在所施加的偏压从反向偏压反转为正向偏压的情况下直到正向电流开始流动为止的延迟时间来检测入射光。图35是按时间顺序图示将施加于光电探测器的偏压从反向偏压反转为正向偏压后的电荷移动的示意图。图36是按时间顺序图示将施加于检测器的偏压从反向偏压反转为正向偏压后的能带结构变化的曲线图。
如图35和图36各者的(1)所示，在施加到光电探测器的偏压从反向偏压反转为正向偏压的情况下，光电探测器首先使电子e从阴极电极(第一电极)朝向P+层(第二区域)周围的能带结构的下降区(fall)(也称为跌落区(dip))流动。
如图35和图36各者的(2)所示，这降低P+层(第二区域)周围的势垒(减小跌落区的尺寸)。因此，更多的空穴h从P+层(第二区域)流出。
此外，如图35和图36各者的(3)所示，从P+层(第二区域)流出的空穴h降低了N+层(第一区域)周围的势垒。这进一步增加从N+层(第一区域)到P+层(第二区域)周边流动的电子e。之后，更多空穴h从P+层(第二区域)流出，更多电子e从N+层(第一区域)流出。这使得N+层(第一区域)和P+层(第二区域)周围的势垒都得以降低。
之后，如图35和图36各者的(4)所示，P+层(第二区域)和N+层(第一区域)之间的势垒消失。光电探测器进入稳态，其中正向电流在阴极电极(第一电极)和阳极电极(第二电极)之间流动。
在根据本实施例的光电探测器中，从反向偏压到正向偏压的反转到通过上述行为达到稳定状态的时间根据入射光的强度而变化。这是因为入射光的光电转换所产生的电子加速了电子e从阴极电极(第一电极)流入P+层(第二区域)周围的跌落区。这使根据本实施例的光电探测器可以通过测量在施加的偏压从反向偏压反转为正向偏压的情况下直到正向电流流动为止的延迟时间来检测入射光。
随后，参照图37和38说明根据本发明第二实施例的光电探测器的基本结构。图37是根据本实施例的光电探测器400的基本结构的纵断面图，图38是根据本实施例的光电探测器400的基本结构的从第一表面这一侧观察到的透视平面图。
如图37所示，光电探测器400包括例如第一区域410、第二区域420、第三区域430、第一电极411、通孔412、第一表面绝缘层451、像素隔离层450、贯通绝缘层452、第三电极471、电势控制区域473、第四电极472、复位区域474、第二电极421、控制栅极461和栅极绝缘膜462。
第一区域410是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的第一表面侧的第一导电类型区域(例如，N+层)。第二区域420是设置在半导体基板的与诸如硅(Si)等第一表面相反的第二表面侧的第二导电类型区域(例如，P+层)。第三区域430是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的第一区域410和第二区域420之间的第三导电类型区域(例如，i层)。
第一电极411隔着第一表面绝缘层451设置在半导体基板的第一表面上。第一电极411通过贯穿第一表面绝缘层451的通孔412等与第一区域410电连接。第一电极411用作例如阴极电极。第一电极411例如设置为跨越设置在像素之间的边界处的贯通绝缘层452。第一电极411通过为每个像素设置的通孔412电连接至每个像素的第一区域410。即，第一电极411是向每个像素的第一区域410提供共用电势的共用电极。
第三电极471和第四电极472设置为在每个像素的边界处从半导体基板的第二表面在半导体基板的厚度方向上延伸。第三电极471和第四电极472分别在底面邻接贯通绝缘层452。贯通绝缘层452的宽度小于第三电极471和第四电极472的宽度。第三电极471和第四电极472可以设置为沿着像素区域的边界彼此面对。贯通绝缘层452的宽度小于第三电极471和第四电极472的宽度，且设置为从第三电极471和第四电极472的底面沿半导体基板的厚度方向延伸至半导体基板的第二表面。
像素隔离层450设置在第三电极471和第四电极472的各者的侧面上。这使像素隔离层450可以与贯通绝缘层452一起将各个像素的光电探测器400彼此电隔离。贯通绝缘层452设置在第三电极471和第四电极472的上部。各个像素设置为在半导体基板的面内方向上相邻接。
这里，第三电极471和第四电极472的宽度大于贯通绝缘层452的宽度。第三电极471和第四电极472的分别与贯通绝缘层452邻接的底面的一部分不被贯通绝缘层452覆盖，而是在第三区域430侧露出。这使第三电极471可以在底面的在第三区域430侧露出的部分处与电势控制区域473电连接。电势控制区域473设置在第三区域430内部。此外，可以在底面的在第三区域430侧露出的部分处将第四电极472电连接至复位区域474。复位区域474设置在第三区域430内部。
电势控制区域473是第二导电类型区域。电势控制区域473设置为与第三电极471电连接。从第三电极471施加负电压，可以使电势控制区域473控制第三区域430的电势。这使第三电极471和电势控制区域473能够控制在第三区域430中产生的势垒的大小。
复位区域474是第一导电类型区域。复位区域474设置为电连接至第四电极472。从第四电极472施加正电压，可以使复位区域474排出第三区域430内剩余的电荷。这使第四电极472和复位区域474能够例如在光电探测器400完成对入射光的检测的情况下更可靠地排出第三区域430内剩余的电荷，并且能够抑制光电探测器400中产生的残像。
电势控制区域473和复位区域474可以设置为具有如图38所示的平面布置。例如，电势控制区域473可以沿矩形像素区域的一侧设置，复位区域474可以沿矩形像素区域的相对的另一侧设置。
第二电极421设置在半导体基板的与第一表面相对的第二表面。第二电极421电连接至第二区域420。第二电极421用作例如阳极电极。第二电极421从半导体基板的第二表面侧电连接至布线层。
控制栅极461是设置在半导体基板的第二表面上的栅极电极，栅极绝缘膜462设置在控制栅极461与半导体基板的第二表面之间。控制栅极461设置为通过施加电压来控制第三区域430中的势垒。
第一电极411、第二电极421、第三电极471、第四电极472、通孔412和控制栅极461可以各自通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)，或其他导电材料而制成。像素隔离层450、贯通绝缘层452、第一表面绝缘层451和栅极绝缘膜462可以各自通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
根据本实施例的光电探测器400设置为背面(即，第一表面)照射型CMOS(互补MOS)图像传感器。这可以减少作为光入射面的背面侧的布线，且可以提高背面侧的开口率。具体地，光电探测器400可以设置有从半导体基板的第二表面沿半导体基板的厚度方向延伸的第三电极471和第四电极472。第三电极471控制第三区域430的电势。第四电极472将电荷从第三区域430排出。在光电探测器400设置有控制第三区域430的电势的第三电极471和排出从第三区域430放出的电荷的第四电极472的情况下，光检测元件400依然因此能够减少作为光入射面的背面侧的布线，且能够防止像素面积增大。
(变形例)
接着，参照图39至图43B说明根据本实施例的光电探测器400的结构的变形例。
(第一变形例)
图39是说明根据第一变形例的光电探测器400A的构造的从第二表面侧观察到的平面图。图39仅图示了光电探测器400A的部件中感兴趣的部件。
如图39所示，第三电极471和电势控制区域473可以均沿矩形像素区域的一侧设置，且第四电极472和复位区域474可以均沿矩形像素区域的相对的另一侧设置。
可以为每个像素独立地设置第三电极471和第四电极472。每个像素的第三电极471可以通过设置在第二表面侧且沿第三电极471的延伸方向延伸的布线彼此电连接。类似地，每个像素的第四电极472可以通过设置在第二表面侧且沿第四电极472的延伸方向延伸的布线彼此电连接。电连接每个像素的第三电极471的布线和电连接每个像素的第四电极472的布线可以设置为在相同方向上延伸从而彼此不交叉。
根据第一变形例，光电探测器400A可以以更简单的布线结构电连接每个像素的第三电极471或第四电极472。这使光电探测器400A可以进一步简化制造步骤。
(第二变形例)
图40是说明根据第二变形例的光电探测器400B的构造的从第二表面这一侧观察到的平面图。图40仅图示了光电探测器400B的部件中感兴趣的部件。
如图40所示，第三电极471和电势控制区域473可以均沿矩形像素区域的一侧设置，且第四电极472和复位区域474可以均沿矩形像素区域的相对的另一侧设置。
第三电极471和第四电极472可以连续地设置在像素之间。具体地，第三电极471可以设置为在电势控制区域473的延伸方向上延伸并且可以电连接至每个像素的电势控制区域473。此外，第三电极471可以通过在与第三电极471的延伸方向正交的方向上设置在像素阵列末端的布线彼此电连接。类似地，第四电极472可以设置为在复位区域474的延伸方向上延伸并且可以电连接至每个像素的复位区域474。此外，第四电极472可以通过在与第四电极472的延伸方向正交的方向上设置在像素阵列末端的布线彼此电连接。
根据第二变形例，光电探测器400B可以使用布线之间的电容较小的布线结构来电连接每个像素的第三电极471或第四电极472。这使光电探测器400B可以降低由布线之间的电容引起的噪声。
(第三变形例)
图41是根据第三变形例的光电探测器400C的结构的纵断面图。
如图41所示，在半导体基板的比第一区域410更深的内部可以设置有第二导电类型的第五区域480。具体地，第五区域480是设置在半导体基板的比第一区域410更深的内部的并且具有比第二区域420或电势控制区域473更低的杂质浓度的第二导电类型(例如，P-层)区域。第五区域480通过抑制电子从第一区域410流出，能够降低DCR(暗计数率)且能够降低暗噪声。
应注意，第五区域480还抑制在光电探测器400B完成对入射光的检测的情况下剩余在第三区域430内的电荷从第一区域410排出。然而，光电探测器400C分别包括复位区域474和第四电极472，两者分别可以将剩余在第三区域430内的电荷排出到外部。这能够避免由于设置第五区域480而导致的电子排出能力降低所带来的影响。
根据第三变形例，光电探测器400C可以在不降低第三区域430的电子排出能力的情况下降低DCR(暗计数率)，且降低暗噪声。
(第四变形例)
图42是说明根据第四变形例的光电探测器400D的构造的从第二表面侧观察到的平面图。图42仅图示了光电探测器400D的部件中感兴趣的部件。图43A是光电探测器400D的构造在图42的A-AA切割面中的纵断面图。图43B光电探测器400D的构造在图42的B-BB切割面中的纵断面图。
如图42所示，根据第四变形例的光电探测器400D与根据第二变形例的光电探测器400B的不同之处在于设置有贯通电极475。
具体地，如图43A所示，在A-AA切割面中，光电探测器400D的构造与根据参照图37说明的基本结构的光电探测器400的构造基本相同。与此相比，如图42和43B所示，在矩形像素区域的未设置有第三电极471、电势控制区域473、第四电极472和复位区域474的侧设置有贯通电极475。贯通电极475设置在像素隔离层450的内部以从第二表面贯穿半导体基板至第一表面。贯通电极475与设置在半导体基板的第一表面侧的第一电极411电连接。据此，贯通电极475使得能够在半导体基板的第二表面侧形成用于将各个像素的第一电极411彼此电连接的布线。贯通电极475可以通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)或其他导电材料而制成。
此外，与贯通电极475电连接且与各个像素的第一电极411电连接的布线可以设置为以与第三电极471和第四电极472在半导体基板的平面内的延伸方向正交的方向延伸。第三电极471和第四电极472设置在半导体基板内部。这使得能够在不干扰第三电极471和第四电极472的情况下布置与贯通电极475电连接的布线。
根据第四变形例，光电探测器400D能够减少在作为光入射面的第一表面侧形成的布线。这能够提高光入射面的开口率。
<3.第三实施例>
(基本结构)
接着，参照图44至46说明根据本发明第三实施例的光电探测器的基本结构。
首先，参照图44和45说明根据本实施例的光电探测器的基本特性。根据本实施例的光电探测器是所谓的DPD传感器，其通过测量在所施加的偏压从反向偏压反转为正向偏压的情况下，直到正向电流流动为止的延迟时间来检测入射光。图44是按时间顺序图示将施加于光电探测器的偏压从反向偏压反转为正向偏压后的电荷移动的示意图。图45是按时间顺序图示将施加于光电探测器的偏压从反向偏压反转为正向偏压后的能带结构变化的曲线图。
如图44和45的各者的(1)所示，在施加到光电探测器的偏压从反向偏压反转为正向偏压的情况下，光电探测器首先使电子e从阴极电极(第一电极)朝向P+层(第二区域)周围的能带结构的下降区(也称为跌落区)流动。
如图44和45的各者的(2)所示，这降低P+层(第二区域)周围的势垒(减小跌落区的尺寸)。因此，更多的空穴h从P+层(第二区域)流出。
此外，如图44和45的各者的(3)所示，从P+层(第二区域)流出的空穴h降低了N+层(第一区域)周围的势垒。这进一步增加从N+层(第一区域)到P+层(第二区域)周边流动的电子e。之后，更多空穴h从P+层(第二区域)流出，更多电子e从N+层(第一区域)流出。这降低了N+层(第一区域)周围和P+层(第二区域)周围的势垒。
之后，如图44和45的各者的(4)所示，P+层(第二区域)和N+层(第一区域)之间的势垒消失。光电探测器进入稳态，其中正向电流在阴极电极(第一电极)和阳极电极(第二电极)之间流动。
在根据本实施例的光电探测器中，从反向偏压到正向偏压的反转到通过上述行为达到稳定状态的时间根据入射光的强度而变化。这是因为入射光的光电转换所产生的电子加速了电子e从阴极电极(第一电极)流入P+层(第二区域)周围的跌落区。这使根据本实施例的光电探测器可以通过测量在施加的偏压从反向偏压反转为正向偏压的情况下直到正向电流流动为止的延迟时间来检测入射光。
随后，参照图46说明根据本发明第三实施例的光电探测器的基本结构。图46是根据本实施例的光电探测器500的基本结构的纵断面图。
如图46所示，光电探测器500包括第一区域510、第二区域520、第三区域530、第一电极511、第二电极521、第四区域525和绝缘层570。
第一区域510是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的第一表面侧的第一导电类型区域(例如，N+层)。例如，第一区域510可以设置在半导体基板的第一表面侧的整个表面上。
第二区域520是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的与第一表面相反的第二表面侧的第二导电类型区域(例如，P+层)。例如，第二区域520可以以岛状设置在半导体基板的第二表面侧。
第三区域530是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的第一区域510和第二区域520之间的第三导电类型区域(例如，i层)。
第一电极511设置在半导体基板的第一表面。第一电极511电连接至第一区域510。第一电极511用作例如阴极电极。例如，第一电极511可以是共用电极，其设置在半导体基板的第一表面上以遍布多个像素并且向各个像素的第一区域510提供共用电势。
第二电极521设置在半导体基板的与第一表面相反的第二表面。第二电极521电连接至第二区域520。第二电极521用作例如阳极电极。
第一电极511和第二电极521可以各自通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)，或其他导电材料而制成。
第四区域525是在半导体基板的深度方向上与第二区域520接触设置的第一导电类型的区域(例如，N层)。具体地，第四区域525可以是在第二区域520的正下方设置在半导体基板内部的且具有比第一区域510低的杂质浓度的第一导电类型区域。
绝缘层570在半导体基板的面内方向上围绕第二区域520。绝缘层570被设置为到达在半导体基板的厚度方向上比第二区域520更深的区域。例如，绝缘层570可以设置在半导体基板的包括第二区域520周边的第二表面的整个表面上，或者可以仅设置在以岛状设置的第二区域520周围的区域中。绝缘层570可以通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
根据本实施例的光电探测器500例如可以用于测量入射光子数的光子计数应用。这里，为了适当地测量入射光子的数量，理想的是在参照图44和45的各者说明的状态转变中，光电探测器500由一个电子(即，一个光子)从(1)所示的状态转变为(2)所示的状态。为此，变得很重要的是，光电探测器500减小邻近于第二区域520产生的势垒的电容以进一步提高相对于势垒的每个电子的调制力(即，影响程度)。
根据本实施例的光电探测器500可以通过形成具有小面积的岛状第二区域520进一步减小第二区域520中产生的电容的大小，且可以通过使用绝缘层570围绕第二区域520的周边将产生电容的区域限制在第二区域520下方的区域。此外，光电探测器500在第二导电类型的第二区域520的下方设置有第一导电类型的第四区域525。这使得能够通过内置电势(built-in potential)而产生势垒。这使光电探测器500具有由内置电势而产生的势垒，且使得在与第二区域520相邻的区域中产生的势垒的电容变小。这使得光电探测器500能够以较少数量的电子来操作。
(变形例)
随后，参照图47至53B说明根据本实施例的光电探测器500的结构的变形例。
(第一变形例)
图47是根据第一变形例的光电探测器500A的结构的纵断面图。
如图47所示，第一区域510和第一电极511可以设置在半导体基板的第二表面侧(即，设置有第二区域520和第二电极521的表面侧)。在这种情况下，除了围绕第二区域520周边的绝缘层570之外，还可以在设置于同一表面侧的第一区域510与第二区域520之间进一步设置面内隔离层552。面内隔离层552通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。面内隔离层552可以被形成为到达比第一区域510和第二区域520的形成深度更深的区域。
根据第一变形例，光电探测器500A在半导体基板的同一表面侧设置有第一区域510、第一电极511、第二区域520和第二电极521。这可以进一步简化制造步骤。因此，光电探测器500A可以降低制造步骤的工艺难度。
(第二变形例)
图48是根据第二变形例的光电探测器500B的结构的纵断面图。
如图48所示，光电探测器500B与根据第一变形例的光电探测器500A的不同之处在于，绝缘层570设置为遍布半导体基板的整个第二表面。具体地，绝缘层570可以设置在半导体基板的第二表面的除了设置有第一区域510和第二区域520的区域之外的区域中。
根据第二变形例，光电探测器500B可以提高第一区域510和第二区域520的电荷收集效率。
(第三变形例)
图49是根据第三变形例的光电探测器500C的结构的纵断面图。
如图49所示，光电探测器500C与根据第二变形例的光电探测器500B的不同之处在于，第四区域525C设置为在半导体基板上延伸到绝缘层570的下方。具体地，第四区域525C可以设置到比绝缘层570的形成深度更深的区域。第四区域525C可以设置为延伸到绝缘层570下方的半导体基板的内部。
根据第三变形例，光电探测器500C可以提高第一区域510和第二区域520的电荷收集效率。
(第四变形例)
图50是根据第四变形例的光电探测器500D的结构的纵断面图。
如图50所示，光电探测器500D与根据第三变形例的光电探测器500C的不同之处在于，每个区域中的导电类型的极性互换。具体地，第一区域510D是第二导电类型区域(例如，P+层)。第一区域510D设置在半导体基板的第二表面侧，以与第二区域520D相隔离。第二区域520D是第一导电类型区域(例如，N+层)。第二区域520D以岛状设置在半导体基板的第二表面这一侧。第四区域525D是第二导电类型区域(例如，P层)。第四区域525D设置为在半导体基板的深度方向上与第二区域520D接触。例如，第四区域525D可以设置为在第二区域520D正下方的半导体基板内部在绝缘层570下方延伸。
第一电极511设置在半导体基板的第二表面。第一电极511电连接至第一区域510D。第一电极511用作例如阴极电极。第二电极521设置在半导体基板的第二表面。第二电极521电连接至第二区域520D。第二电极521用作例如阳极电极。绝缘层570在半导体基板的面内方向上围绕第二区域520D。绝缘层570设置为到达在半导体基板的厚度方向上比第二区域520D更深的区域。
根据第四变形例，在施加的偏压从反向偏压反转为正向偏压的情况下，光电探测器500D可以通过空穴而不是电子的运动的触发而工作。
(第五变形例)
图51是根据第五变形例的光电探测器500E的结构的纵断面图。
如图51所示，光电探测器500E与根据第三变形例的光电探测器500C的不同之处在于，第一区域510设置在半导体基板的第一表面侧。
具体地，第一区域510是第一导电类型区域(例如，N+层)。第一区域510设置为遍布半导体基板的第一表面侧的整个表面。第二区域520是第二导电类型区域(例如，P+层)。第二区域520以岛状设置在与半导体基板的与第一表面相反的第二表面侧。第四区域525是第一导电类型区域(例如，N层)。第四区域525也设置为在半导体基板的深度方向上与第二区域520接触，以在绝缘层570下方延伸。
第一电极511隔着第一表面绝缘层551设置在半导体基板的第一表面上。第一电极511通过贯穿第一表面绝缘层551的通孔512等与第一区域510电连接。第二电极521设置在半导体基板的与第一表面相反的第二表面。第二电极521电连接至第二区域520。绝缘层570在半导体基板的面内方向上围绕第二区域520。绝缘层570设置为到达在半导体基板的厚度方向上比第二区域520更深的区域。
根据第五变形例，光电探测器500E具有背面(即，第一表面)照射型结构。因此，能够提高产生的电荷数量与入射光的比率(即，量子效率)。
(第六变形例)
图52是根据第六变形例的光电探测器500F的结构的纵断面图。
如图52所示，光电探测器500F与根据第五变形例的光电探测器500E的不同之处在于，在像素之间还设置有像素隔离层550。
具体地，像素隔离层550设置为在厚度方向上贯穿半导体基板以围绕像素区域。像素隔离层550将相邻像素彼此电隔离，从而能够抑制相邻像素之间的串扰。像素隔离层550可以通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
根据第六变形例，光电探测器500F具有在相邻像素之间的更高的物理或电隔离特性。因此，能够抑制像素之间的串扰。
随后，参照图53A和53B说明根据第六变形例的光电探测器500F的半导体基板的第二表面上的像素隔离层550、绝缘层570、第二区域520和第二电极521的布置和形状的变形例。图53A和53B均是说明像素隔离层550、绝缘层570、第二区域520和第二电极521的布置和形状的变形例的从第二表面侧观察到的平面图。
例如，如图53A所示，第二区域520和第二电极521可以以矩形形状设置在像素区域的大致中心。像素区域是像素隔离层550以矩形形状限定的。绝缘层570可以以具有圆角的矩形形状围绕第二区域520和第二电极521的周边。应注意，像素隔离层550、绝缘层570、第二区域520和第二电极521的形心可以彼此相同也可以彼此不同。
例如，如图53B所示，第二区域520和第二电极521可以以圆形或椭圆形设置在像素区域的大致中心。像素区域是像素隔离层550以矩形形状限定的。绝缘层570可以以具有圆角的矩形形状围绕第二区域520和第二电极521的周边。应注意，像素隔离层550、绝缘层570、第二区域520和第二电极521的形心可以彼此相同也可以彼此不同。
图53B所示的平面形状消除了第二区域520和第二电极521上的电场集中并且能够稳定电场。因此，能够减小在与第二区域520相邻的区域中产生的势垒的电容。此外，这种平面形状使得能够更容易地将第二区域520和第二电极521小型化。
<4.第四实施例>
(基本结构)
接着，参照图54至55B说明根据本发明第四实施例的光电探测器的基本结构。图54是根据本实施例的光电探测器600的基本结构的纵断面图。图55A和55B均是图示根据本实施例的光电探测器600的能带结构的曲线图。
如图54所示，光电探测器600包括例如第一区域610、第二区域620、第三区域630、第四区域625、第五区域615、第一电极611、通孔(via)612、第一表面绝缘层651、像素隔离层650和第二电极621。
第一区域610是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的第一表面侧的第一导电类型区域(例如，N+层)。第二区域620是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的与第一表面相反的第二表面侧的第二导电类型区域(例如，P+层)。第四区域625是第一导电类型的区域(例如，N+层)，其设置为在半导体基板的比第二区域620更深的内部与第二区域620接触。第五区域615是第二导电类型的区域(例如，P+层)，其设置为在半导体基板的比第一区域610更深的内部与第一区域610接触。第三区域630是设置在半导体基板的第四区域625和第五区域615之间的第三导电类型的区域(例如，i层)。
即，光电探测器600是通过使用第一区域610、第二区域620、第三区域630、第四区域625和第五区域615形成的PN/i/PN二极管。
第一电极611隔着第一表面绝缘层651设置在半导体基板的第一表面上。第一电极611通过贯穿第一表面绝缘层651的通孔612等与第一区域610电连接。第一电极611用作例如阴极电极。例如，第一电极611跨越沿像素之间的边界设置的像素隔离层650延伸。第一电极611通过为每个像素设置的通孔612电连接至每个像素的第一区域610。即，第一电极611是向每个像素的第一区域610提供共用电势的共用电极。
像素隔离层650设置为在厚度方向上贯穿半导体基板，并且将在半导体基板的面内方向上设置的多个像素中的每一个彼此电隔离。例如，像素隔离层650可以沿着半导体基板的面内方向上以矩阵布置的各像素之间的边界以网格图案设置。
第二电极621设置在半导体基板的与第一表面相反的第二表面。第二电极621电连接至第二区域620。第二电极621用作例如阳极电极。
第一电极611、通孔612和第二电极621可以各自通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)，或其他导电材料而制成。第一表面绝缘层651和像素隔离层650可以分别通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
例如，即使在施加的偏压从反向偏压反转为正向偏压之后光子没有立即到达，根据包括PIN二极管的比较例的光电探测器也可能产生正向电流。这是因为在施加的偏压从反向偏压反转为正向偏压的情况下，根据阴极电极侧产生的势垒的高度，扩散电流容易从阴极电极流过势垒。这导致阳极电极侧的能带结构具有变浅的下降区(也称为跌落区)。根据比较例的光电探测器即使光子没有到达，也可能产生正向电流。
根据本实施例的光电探测器600包括PN/i/PN二极管。如图55A所示，光电探测器600能够通过使用第一区域610和第五区域615的PN结而形成的内置电势在第一电极611侧稳定地形成能带的势垒。第一电极611是阴极电极。这使光电探测器600能够抑制由扩散电流引起的电子的移动。因此，能够抑制没有光子入射情况下的正向电流的产生。这使根据本实施例的光电探测器600能够抑制错误信号(aliasing)的发生。
例如，可以如下地使这样的光电探测器600进入工作。
具体地，如图55B所示，首先，光子入射到光电探测器600上产生光电子。产生的光电子填充能带结构的跌落区，以使能带结构的跌落区变浅(S1)。这导致空穴电流从作为阳极电极的第二电极621流向作为阴极电极的第一电极611，由内置电势形成在第一电极611侧的能带势垒消失(S2)。这使正向电流可以从作为阴极电极的第一电极611流向作为阳极电极的第二电极621(S3)。
(变形例)
随后，参照图56A至69说明根据本实施例的光电探测器600的结构的变形例。
(第一变形例)
图56A是根据第一变形例的光电探测器600A的结构的纵断面图。图56B是根据第一变形例的光电探测器600A的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
如图56A和56B所示，第二区域620可以例如设置为大致在由像素隔离层650限定的整个区域上。类似地，第一区域610、第四区域625和第五区域615可以各自设置为大致在由像素隔离层650(未图示)限定的整个区域上。与此相比，例如，第二电极621可以在由像素隔离层650限定的区域的大致中心处以岛状设置。
根据第一变形例，光电探测器600A具有在半导体基板的厚度方向上布置的第一区域610、第二区域620、第四区域625和第五区域615，从而可以减小占有面积。此外，通过在像素的整个周边上设置像素隔离层650，可以使光电探测器600A抑制像素之间的串扰。
(第二变形例)
图57A是根据第二变形例的光电探测器600B的结构的纵断面图。图57B是根据第二变形例的光电探测器600B的结构的从第二表面侧观察到的平面图。
如图57A和57B所示，可以在像素隔离层650的在半导体基板的第二表面侧设置控制电极661。控制电极661可以控制第四区域625的电势。控制电极661可以通过控制第四区域625的电势来控制形成在第二电极621侧的能带结构的跌落区的深度以及填充该跌落区所需的电荷量。
具体地，控制电极661可以设置为在半导体基板的厚度方向上从半导体基板的第二表面侧延伸。控制电极661可以电连接至第四区域625。例如，控制电极661可以包括位于侧面的侧壁绝缘层662。控制电极661的宽度可以大于像素隔离层650的宽度，且控制电极661可以设置为延伸至第四区域625以电连接至第四区域625。控制电极661可以通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)或其他导电材料而制成。侧壁绝缘层662可以通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
根据第二变形例，光电探测器600B能够更高精度地控制入射光的检测特性。
(第三变形例)
图58A是根据第三变形例的光电探测器600C的结构的纵断面图。图58B是根据第三变形例的光电探测器600C的结构的从第二表面侧观察到的平面图。
如图58A和58B所示，可以在半导体基板的第二表面侧将控制电极661C设置在像素隔离层650中。控制电极661C能够控制第五区域615的电势。控制电极661C能够通过控制第五区域615的电势来控制形成在第一电极611侧的能带结构的势垒高度。
具体地，控制电极661C可以设置为在半导体基板的厚度方向上从半导体基板的第二表面侧延伸。控制电极661C可以电连接至第五区域615。例如，控制电极661C可以包括位于侧面的侧壁绝缘层662C。控制电极661C的宽度可以大于像素隔离层650的宽度，且控制电极661C可以设置为延伸至第五区域615以电连接至第五区域615。控制电极661C可以通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)或其他导电材料而制成。侧壁绝缘层662C可以通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
根据第三变形例，光电探测器600C能够更高精度地控制入射光的检测特性。
(第四变形例)
图59A是根据第四变形例的光电探测器600D的结构的纵断面图。图59B是根据第四变形例的光电探测器600D的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。
如图59A和59B所示，第二区域620D可以通过在半导体基板的第二表面侧以岛状设置而设置为具有比第一区域610小的体积。此外，第四区域625D可以设置为覆盖第二区域620D的侧面和底面。即，光电探测器600D可以设置为使第二电极621侧的第二区域620D和第四区域625D的PN结的面积小于第一电极611侧的第一区域610和第五区域615的PN结的面积。
这使光电探测器600D可以通过减小与第二电极621侧的第二区域620D相邻的区域中产生的电容来控制为了填充形成在第二电极621侧的能带结构的跌落区而所需的电荷量。这使光电探测器600D能够以较少数量的光电子而操作。
根据第四变形例，光电探测器600D能够进一步提高入射光的检测特性。
(第五变形例)
图60是根据第五变形例的光电探测器600E的结构的纵断面图。
如图60所示，光电探测器600E与根据第四变形例的光电探测器600D的不同之处在于，控制电极663进一步电连接至第四区域625E。例如，控制电极663可以设置在半导体基板的第二表面且电连接至第四区域625E。控制电极663可以通过控制第四区域625E的电势，以控制形成在第二电极621侧的能带结构的跌落区深度以及控制为了填充该跌落区所需的电荷量。控制电极663可以通过使用诸如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)，或其他导电材料而制成。
根据第五变形例，光电探测器600E能够更高精度地控制入射光的检测特性。
(第六变形例)
图61A是根据第六变形例的光电探测器600F的结构的纵断面图。图61B是根据第六变形例的光电探测器600F的结构的从第二表面侧观察到的平面图。
如图61A和61B所示，光电探测器600F与根据第四变形例的光电探测器600D的不同之处在于，控制栅极664进一步设置在第四区域625F上。控制栅极664可以设置在第四区域625F上，栅极绝缘膜665插入在控制栅极664与第四区域625F之间且具有围绕第二区域620F周边的平面形状。控制栅极664可以通过施加电压来控制第四区域625F的电势，以控制形成在第二电极621侧的能带结构的跌落区深度以及为了填充该跌落区所需的电荷量。
控制栅极664可以通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)或其他导电材料而制成。栅极绝缘膜665可以通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
根据第六变形例，光电探测器600F能够更高精度地控制入射光的检测特性。
(第七变形例)
图62A是根据第七变形例的光电探测器600G的结构的纵断面图。图62B是根据第七变形例的光电探测器600G的结构的从第二表面侧观察到的平面图。
如图62A和62B所示，光电探测器600G还可以设置有在半导体基板的面内方向上围绕第二区域620G和第四区域625G的绝缘层670。
具体地，第二区域620G和第四区域625G可以以岛状设置在由像素隔离层650限定的像素区域的大致中心。绝缘层670可以设置为围绕第二区域620G和第四区域625G的周边。绝缘层670在半导体基板的面内方向上围绕第二区域620G和第四区域625G。绝缘层670被设置为到达在半导体基板的厚度方向上比第二区域620G更深的区域。绝缘层670可以通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
具有小面积的岛状第二区域620G可以使绝缘层670进一步减小第二区域620G中产生的电容的大小。此外，绝缘层670围绕第二区域620G的周边，这使得能够将在第二区域620G中产生电容的区域限制在第二区域620G内部的半导体基板。这使绝缘层670能够通过减小在第二区域620G中产生的电容来控制为了填充形成在第二电极621侧的能带结构的跌落区而所需的电荷量。这使得光电探测器600G能够以较少数量的光电子而操作。
根据第七变形例，光电探测器600G能够进一步提高入射光的检测特性。
(第八变形例)
图63A是根据第八变形例的光电探测器600H的结构的纵断面图。图63B是根据第八变形例的光电探测器600H的结构的从第一表面这一侧观察到的平面图。
如图63A和63B所示，光电探测器600H与根据第一变形例的光电探测器600A的不同之处在于，PN/i/PN二极管形成在半导体基板的面内方向，不是形成在半导体基板的厚度方向。此外，在光电探测器600H中，第一电极611和第二电极621均设置在半导体基板的第一表面。
具体地，第一区域610H沿着像素隔离层650限定矩形像素区域的一侧设置在半导体基板的第一表面侧的区域的一部分中。第五区域615H设置在隔着第一区域610H与像素隔离层650相对的区域中，以使第五区域615H覆盖第一区域610H的侧面和底面。第二区域620H沿着像素隔离层650限定矩形像素区域的相对的另一侧设置在半导体基板的第一表面侧的区域的一部分中。第四区域625H设置在与像素隔离层650相对的区域中，第二区域620H插入两者之间，以使第四区域625H覆盖第二区域620H的侧面和底面。第三区域630设置在第五区域615H和第四区域625H之间的区域中。第一电极611设置在从半导体基板的第一表面露出的第一区域610H上，第二电极621设置在从半导体基板的第一表面露出的第二区域620H上。
根据第八变形例，能够在半导体基板的同一表面上形成光电探测器600G的第一电极611和第二电极621。这使得能够更容易地形成电极。
(第九变形例)
图64A是根据第九变形例的光电探测器600I的结构的纵断面图。图64B是根据第九变形例的光电探测器600I的从第一表面侧观察到的平面图。
如图64A和64B所示，光电探测器600I与根据第八变形例的光电探测器600H的不同之处在于，第一区域610I、第五区域615I、第四区域625I和第二区域620I设置为从半导体基板的第一表面延伸至与第一表面相反的第二表面。这使第一区域610I和第二区域620I可以通过覆盖像素隔离层650与第三区域630之间的界面，来抑制由于钉扎效应而在该界面处的电荷的感应。
根据第九变形例，光电探测器600I能够抑制在半导体基板和像素隔离层650之间的界面处的电荷的感应。这能够进一步降低噪声。
(第十变形例)
图65是根据第十变形例的光电探测器600J的结构的纵断面图。
如图65所示，光电探测器600J与根据第八变形例的光电探测器600H的不同之处在于，第一控制电极663J-1进一步电连接至第五区域615J，且第二控制电极663J-2进一步电连接至第四区域625J。
具体地，第五区域615J可以设置为覆盖第一区域610J的侧面和底面，且第一控制电极663J-1可以设置在从半导体基板的第一表面露出的第五区域615J上。此外，第四区域625J可以设置为覆盖第二区域620J的侧面和底面，且第二控制电极663J-2可以设置在从半导体基板的第一表面露出的第四区域625J上。第一控制电极663J-1和第二控制电极663J-2可以分别通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)，或其他导电材料而制成。
第一控制电极663J-1可以通过控制第五区域615J的电势来控制形成在第一电极611侧的势垒的高度。此外，第二控制电极663J-2可以通过控制第四区域625J的电势，以控制形成在第二电极621侧的能带结构的跌落区深度以及为了填充该跌落区而所需的电荷量。
根据第十变型，光电探测器600J能够更准确地控制入射光的检测特性。
(第十一变形例)
图66A是根据第十一变形例的光电探测器600K的结构的纵断面图。图66B是根据第十一变形例的光电探测器600K的结构的从第一表面侧观察到的平面图。
如图66A和66B所示，光电探测器600K与根据第八变形例的光电探测器600H的不同之处在于：光电探测器600K在第五区域615K上还设置有第一控制栅极664K-1，且光电探测器600K在第四区域625K上还设置有第二控制栅极664K-2。
具体地，第一控制栅极664K-1可以隔着栅极绝缘膜665K-1设置在第五区域615K上。第五区域615K设置为覆盖第一区域610K的侧面和底面。第二控制栅极664K-2可以隔着栅极绝缘膜665K-2设置在第四区域625K上。第四区域625K设置为覆盖第二区域620K的侧面和底面。
第一控制栅极664K-1和第二控制栅极664K-2可以分别通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)，或其他导电材料而制成。栅极绝缘膜665K-1和665K-2可以分别通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
第一控制栅极664K-1能够通过施加电压控制第五区域615K的电势来控制形成在第一电极611侧的势垒的高度。此外，第二控制栅极664K-2能够通过施加电压控制第四区域625K的电势来控制形成在第二电极621侧的能带结构的跌落区深度以及为了填充该跌落区而所需的电荷量。
根据第十一变形例，光电探测器600K能够更准确地控制入射光的检测特性。
(第十二变形例)
图67是根据第十二变形例的光电探测器600L的结构的纵断面图。
如图67所示，光电探测器600L与根据第一变形例的光电探测器600A的不同之处在于，包括有第一区域610L、第五区域615L、第三区域630L、第四区域625L和第二区域620L的半导体基板通过使用硅以外的半导体而形成。
例如，包括有第一区域610L、第五区域615L、第三区域630L、第四区域625L和第二区域620L的半导体基板可以通过使用硅锗(SiGe)或III-V族化合物半导体等而形成。
根据第十二变形例，光电探测器600L能够控制可检测光的波长带。应注意，也可以将第十二变形例与上述第一至第十一变形例以及稍后说明的第十三和第十四变形例中的任一者组合。
(第十三变形例)
图68是根据第十三变形例的光电探测器600M的结构的纵断面图。
如图68所示，在像素隔离层650内部还可以设置金属层681。金属层681具有遮光性。这能够防止从斜向入射到半导体基板的第一表面的光进入相邻的像素。金属层681可以通过使用例如诸如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属或其合金而制成。
根据第十三变形例，金属层681使光电探测器600M能够防止光进入像素之间。因此，能够进一步抑制像素之间的串扰。应注意，也能够将第十三变形例与上述第一至第十二变形例和稍后说明的第十四变形例中的任一者组合。
(第十四变形例)
图69是根据第十四变形例的光电探测器600N的结构的纵断面图。
如图69所示，光电探测器600N还可以包括隔着层间绝缘膜(未图示)设置在半导体基板的第二表面侧的反射层682。具体地，反射层682可以对入射至半导体基板的第一表面后穿过第三区域630且入射在半导体基板的第二表面侧的光进行反射。这使反射层682能够将入射光限制在包括第三区域630的半导体基板中。因此，能够提高第三区域630中的光电转换效率。
反射层682可以设置在由像素隔离层650限定的整个像素区域上。反射层682可以通过使用例如诸如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属或其合金而制成。
根据第十四变形例，光电探测器600N使第三区域630具有更高的光电转换效率。因此，能够提高入射光的检测灵敏度。应注意，也能够将第十四变形例与上述第一至第十三变形例中的任一者组合。
<5.第五实施例>
随后，参照图70至108说明根据本发明第五实施例的光电探测器。
根据本实施例的光电探测器在诸如硅的半导体层与绝缘体层之间的界面处设置有：含有低浓度的第二导电类型杂质的层(例如，P层)或者具有负固定电荷或静电特性的层。
这使得包含第二导电类型杂质的层可以将在半导体层与绝缘体层之间的界面处产生的界面态的电子与该层中的空穴再结合。因此，能够抑制由于在半导体层与绝缘体层之间的界面处产生的电子而引发的错误信号或暗电流。此外，具有负固定电荷或静电特性的层能够通过负电场在层界面处形成空穴积累层(hole accumulation layer)。这能够抑制在半导体层与绝缘体层之间的界面处的电荷(电子)产生。此外，具有负固定电荷或静电特性的层能够使在半导体层与绝缘体层之间的界面处产生的电荷(电子)消失在空穴积累层中。这能够抑制由于在半导体层与绝缘体层之间的界面处产生的电子而导致的错误信号或暗电流。
根据本实施例的光电探测器在半导体层与绝缘体之间的界面处设置有吸收如上所述地在该界面处产生的电荷的层(下文中，也称为钉扎层)。这能够进一步抑制错误信号或暗电流的产生。
对于根据本实施例的光电探测器，在下文中，作为第一至第十二结构例，将说明如下结构示例：在每个结构例中，将含有第二导电类型杂质的层用作钉扎层；并且作为第十三至第十八结构例，将说明如下结构示例：在每个结构例中，将具有负固定电荷或静电特性的层用作钉扎层。
(第一结构例)
图70是根据第一结构例的光电探测器700A的结构的纵断面图。图71A和71B各自是根据第一结构例的光电探测器700A的平面结构的示例的顶视图。图70所示的光电探测器700A的横截面结构对应于分别沿着图71A和71B的A-AA切割面获取的横截面结构。
如图70所示，光电探测器700A包括例如第一区域710、第二区域720、第三区域730、钉扎层741、绝缘膜740、控制栅极761和栅极绝缘膜762。
第一区域710是设置在诸如硅(Si)等半导体基板上的第一导电类型区域(例如，N+层)。第二区域720是设置在诸如硅(Si)等半导体基板上的第二导电类型区域(例如，P+层)。第三区域730是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的除了第一区域710和第二区域720之外的区域中的第三导电类型区域(例如，i层)。
控制栅极761是隔着栅极绝缘膜762设置在半导体基板上的栅极电极。控制栅极761设置为通过施加电压来控制第三区域730中的势垒。控制栅极761可以通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)或其他导电材料而制成。栅极绝缘膜762可以通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
控制栅极761设置为例如围绕第二区域720。例如，如图71A所示，控制栅极761可以在第一区域710和第二区域720的布置方向上设置在第二区域720的两侧。或者，如图71B所示，控制栅极761也可以设置为围绕第二区域720的整个周边。
这里，在第一区域710和第二区域720的布置方向上，第一区域710和控制栅极761之间的区域用作光电探测器700A中的光吸收区域731。光电探测器700A可以检测入射在光吸收区域731上的光。
例如，用作阴极电极的第一电极(未图示)电连接至第一区域710。此外，例如，用作阳极电极的第二电极(未图示)电连接至第二区域720。
绝缘膜740设置在诸如硅(Si)等半导体基板的正面。绝缘膜740通过使用例如诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘材料而制成。绝缘膜740可以例如是形成在硅基板正面的天然氧化膜。或者，绝缘膜740可以是单独设置在半导体基板正面以保护第三区域730的保护层。
钉扎层741是杂质浓度低于第二区域720的第二导电类型区域(例如，P层)。钉扎层741是设置在诸如硅(Si)等半导体基板与绝缘膜740之间的界面处。应注意，钉扎层741与第一区域710或第二区域720之间的距离可以设置为使得光电探测器700A操作期间的最大电场小于0.5MeV/cm。钉扎层741可以例如设置在光吸收区域731的半导体基板与绝缘膜740之间的界面处。光吸收区域731设置在第一区域710和控制栅极761之间。
钉扎层741能够使在半导体基板与绝缘膜740之间的界面处产生的界面态的电子与钉扎层741中的空穴复合。这使钉扎层741能够抑制在半导体基板与绝缘膜740之间的界面处产生的电子流入第三区域730的耗尽层而导致错误信号或暗电流。
根据第一结构例，光电探测器700A能够抑制错误信号或暗电流的产生。
(第二结构例)
图72是根据第二结构例的光电探测器700B的结构的纵断面图。图73A和73B分别是根据第二结构例的光电探测器700B的平面结构的示例的顶视图。图72中所示的光电探测器700B的横截面结构对应于分别沿着图73A和73B的A-AA切割面获取的横截面结构。
如图72、73A和73B所示，光电探测器700B与根据第一结构例的光电探测器700A的不同之处在于，除了光吸收区域731，钉扎层741也设置在半导体基板的整个表面。具体地，钉扎层741可以设置为进一步围绕设置有第一区域710、第二区域720和控制栅极761的区域的周边。
根据第二结构例，光电探测器700B能够进一步抑制由于在半导体基板和绝缘膜740之间的界面处产生的电子而产生错误信号或暗电流。
(第三结构例)
图74是根据第三结构例的光电探测器700C的结构的纵断面图。图75A、75B、77A和77B分别是如下区域的示例的平面图：在该区域中，钉扎层741形成在包括第三区域730的半导体层的正面侧。图76A、76B、78A和78B分别是如下区域的示例的平面图：在该区域中，钉扎层741形成在包括第三区域730的半导体层与埋设绝缘膜782之间的界面处。应注意，图74所示的光电探测器700C的横截面结构对应于分别沿着图75A至78B的A-AA切割面获取的横截面结构。
如图74所示，光电探测器700C包括例如第一区域710、第二区域720、第三区域730、钉扎层741、绝缘膜740、控制栅极763、栅极绝缘膜764、埋设绝缘膜782和支撑基板781。
支撑基板781例如是硅(Si)基板等半导体基板。埋设绝缘膜782通过使用例如硅氧化物(SiOx)而形成，并设置在支撑基板781上。此外，通过使用硅(Si)等形成的半导体层设置在埋设绝缘膜782上。
即，其中形成有光电探测器700C的半导体基板是所谓的SOI(绝缘体上硅)基板。支撑基板781对应于SOI基板的支撑基板，埋设绝缘膜782对应于SOI基板的BOX(BuriedOxide，埋设氧化物)层，且埋设绝缘膜782上的半导体层对应于SOI基板的有源层。
第一区域710是设置在埋设绝缘膜782上的半导体层中的第一导电类型区域(例如，N+层)。第二区域720是设置在埋设绝缘膜782上的半导体层中的第二导电类型区域(例如，P+层)。第三区域730是设置在第一区域710和第二区域720之间的半导体层中的第三导电类型区域(例如，i层)。第一区域710和第二区域720可以分别设置为在半导体层的厚度方向上延伸且从半导体层的正面到达埋设绝缘膜782。
例如，用作阴极电极的第一电极(未图示)电连接至第一区域710。此外，例如，用作阳极电极的第二电极(未图示)电连接至第二区域720。
控制栅极763设置为埋入在形成于半导体层上的栅极绝缘膜764中。控制栅极763也可以例如设置在与第一区域710或第二区域720相邻的区域中。控制栅极763通过施加电压来控制第三区域730中的势垒。
控制栅极763可以通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)或其他导电材料而制成。栅极绝缘膜764可以通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
例如，如图75A至76B所示，第一区域710和第二区域720可以各自设置为在相对于半导体层的面内方向的一个方向上延伸。多个控制栅极763可以设置在第一区域710和第二区域720之间的与第一区域710和第二区域720相邻的区域中。在图75A至76B中，在第一区域710和第二区域720的布置方向上设置的多个控制栅极763之间的区域用作光电探测器700C中的光吸收区域731。
此外，如图77A至图78B所示，第一区域710和第二区域720可以各自设置为在相对于半导体层的面内方向的一个方向上延伸。控制栅极763可以以环状矩形形状设置在第一区域710和第二区域720之间的区域中。具体地，控制栅极763可以以如下的环状矩形设置：该环状矩形包括与第一区域710和第二区域720相邻的两条边和将这两条边彼此连接的两条边。在图77A至78B中，环状矩形的控制栅极763内部的区域是光电探测器700C中的光吸收区域731。
绝缘膜740设置在包括第三区域730的半导体层的正面。绝缘膜740通过使用例如诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘材料而制成。绝缘膜740可以例如是形成在半导体层正面上的天然氧化膜。或者，绝缘膜740可以是单独设置在半导体层正面上以保护第三区域730的保护层。
钉扎层741是杂质浓度低于第二区域720的第二导电类型区域(例如，P层)。钉扎层741设置在包括第三区域730的半导体层与绝缘膜740之间的界面和包括第三区域730的半导体层与埋设绝缘膜782之间的界面中的一个或两个界面处。
钉扎层741能够使在包含第三区域730的半导体层与绝缘膜740或埋设绝缘膜782之间的界面处产生的界面态的电子与钉扎层741中的空穴再结合。这使钉扎层741能够抑制在半导体层与绝缘膜740或埋设绝缘膜782之间的界面处产生的电子流入第三区域730的耗尽层而产生错误信号或暗电流。
这里，如图75A和77A所示，设置在包含第三区域730的半导体层与绝缘膜740之间界面处的钉扎层741可以设置在控制栅极763之间或设置到位于内侧的光吸收区域731。或者，如图75B和77B所示，设置在包含第三区域730的半导体层与绝缘膜740之间界面处的钉扎层741除了设置在光吸收区域731上，还可以设置在半导体基板的整个表面上。具体地，钉扎层741可以设置为进一步围绕设置有第一区域710、第二区域720和控制栅极763的区域的周边。
与此相比，如图76A和78A所示，设置在包含第三区域730的半导体层与埋设绝缘膜782之间界面处的钉扎层741可以设置在第一区域710和第二区域720之间的区域中。或者，如图76B和78B所示，设置在包括第三区域730的半导体层与埋设绝缘膜782之间界面处的钉扎层741不仅是设置在光吸收区域731上，而且设置在半导体基板的整个表面上。具体地，钉扎层741可以设置为进一步围绕设置有第一区域710和第二区域720的区域的周边。即，设置在包括第三区域730的半导体层与埋设绝缘膜782之间界面处的钉扎层741可以设置为延伸到控制栅极763下方的区域。
根据第三结构例，即使在其中形成有光电探测器700C的基板是SOI基板的情况下，光电探测器700C也能够抑制错误信号或暗电流的产生。
(第四结构例)
图79是根据第四结构例的光电探测器700D的结构的纵断面图。图80A、80B、82A和82B分别是如下区域的示例的平面图，其中，在电荷产生层783的正面侧形成钉扎层741。图81A、81B、83A和83B分别是如下区域的示例的平面图，其中，在包含第三区域730的半导体层与埋设绝缘膜782之间界面处形成钉扎层741。应注意，图79所示的光电探测器700D的横截面结构对应于沿着图80A至83B的各者的A-AA切割面获取的横截面结构。
如图79所示，光电探测器700D与根据第三结构例的光电探测器700C的不同之处在于：在包含第三区域730的半导体层上设置有电荷产生层783，且在电荷产生层783的正面上设置有钉扎层741。
电荷产生层783通过使用半导体材料制成，且设置在半导体层上的控制栅极763之间或内侧的区域中。电荷产生层783可以通过对入射光进行光电转换来产生电荷。例如，电荷产生层783可以通过使用锗(Ge)、砷化镓(GaAs)和硅锗(SiGe)中的一种或其混合物而形成。或者，电荷产生层783可以通过使用掺杂低浓度或高浓度导电杂质的硅而形成。
这使电荷产生层783例如对第三区域730中未被光电转换的波长带中的光进行光电转换。此外，电荷产生层783可以通过例如以与第三区域730中相同的方式光电转换入射光来提高光电探测器700D的量子效率。
如图80A至图81B所示，多个控制栅极763设置在被设置为沿相同方向延伸的第一区域710和第二区域720之间的区域中以与第一区域710和第二区域720相邻。在图80A至图81B中，在第一区域710和第二区域720的布置方向上的各控制栅极763之间的区域用作光电探测器700D中的光吸收区域731。
如图82A至图83B所示，控制栅极763可以以环状矩形设置在被设置为沿相同方向延伸的第一区域710和第二区域720之间的区域中。具体地，控制栅极763可以以这样的环状矩形设置，该矩形包括与第一区域710和第二区域720相邻的两条边和将这两条边彼此连接的两条边。在图82A至83B中，环状矩形控制栅极763内部的区域是光电探测器700D中的光吸收区域731。
绝缘膜740设置在电荷产生层783的正面。绝缘膜740通过使用例如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘材料而制成。绝缘膜740可以例如是形成在电荷产生层783正面上的天然氧化膜。或者，绝缘膜740可以是单独设置以保护电荷产生层783的保护层。
钉扎层741是杂质浓度比第二区域720低的第二导电类型区域(例如，P层)。钉扎层741设置在电荷产生层783和绝缘膜740之间界面和包含第三区域730的半导体层和埋设绝缘膜782之间界面中的一个或两个界面处。钉扎层741能够抑制在电荷产生层783与绝缘膜740之间的界面处或在包含第三区域730的半导体层与埋设绝缘膜782之间的界面处产生的电荷流入第三区域730的耗尽层而产生错误信号或暗电流。
这里，如图80A和82A所示，设置在电荷产生层783与绝缘膜740之间的界面处的钉扎层741可以设置在控制栅极763之间或设置到位于内侧的光吸收区域731。或者，如图80B和82B所示，设置在电荷产生层783与绝缘膜740之间的界面处的钉扎层741除了可以设置在光吸收区域731上，还可以设置在半导体基板的整个表面上。具体地，钉扎层741可以设置为进一步围绕设置有第一区域710、第二区域720和控制栅极763的区域的周边。
与此相比，如图81A和83A所示，设置在包含第三区域730的半导体层与埋设绝缘膜782之间界面处的钉扎层741可以设置在第一区域710和第二区域720之间的平面区域中。
此外，如图81B和83B所示，设置在包括第三区域730的半导体层和埋设绝缘膜782之间界面处的钉扎层741不仅是设置在光吸收区域731上，而且设置在半导体基板的整个表面上。具体地，钉扎层741可以设置为进一步围绕设置有第一区域710和第二区域720的区域的周边。即，设置在包含第三区域730的半导体层与埋设绝缘膜782之间界面处的钉扎层741可以设置为延伸到控制栅极763下方的区域。
根据第四结构例，光电探测器700D能够提高对于入射光的光电转换特性。
(第五结构例)
图84是根据第五结构例的光电探测器700E的结构的纵断面图。
如图84所示，光电探测器700E与根据第三结构例的光电探测器700C的不同之处在于：其中，形成有光电探测器700E的基板不是SOI基板而是诸如硅基板等半导体基板。在这种情况下，钉扎层741可以设置在包含第三区域730的半导体基板与绝缘膜740之间的界面处。
根据第五结构例，光电探测器700E可以通过使用更便宜的基板来降低制造成本。
(第六结构例)
图85是根据第六结构例的光电探测器700F的结构的纵断面图。
如图85所示，光电探测器700F与根据第三结构例的光电探测器700C的不同之处在于：在包含第三区域730的半导体层上设置有单片结构784，且钉扎层741形成在单片结构784的侧面。
单片结构784是通过对一个半导体基板进行加工而形成的结构。单片结构784设置在半导体层上的控制栅极763之间，或设置在内侧的区域中。单片结构784是光电转换入射光的光吸收层。单片结构784可以包括例如硅(Si)、锗(Ge)或碳化硅(SiC)等。这使光电探测器700F可以提高对于入射光的光电转换特性。
这里，在单片结构784的与和第三区域730的堆叠表面相反的表面上可以设置有接触层785。接触层785例如是第二导电类型区域(例如，P+层)。光电探测器700F可以通过经由接触层785向单片结构784施加电压来控制单片结构784的电势。
此外，单片结构784的侧面设置有绝缘膜740。绝缘膜740通过使用例如诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘材料而制成。绝缘膜740可以例如是形成在单片结构784的侧面上的天然氧化膜。或者，绝缘膜740可以是单独设置以保护单片结构784的保护层。
钉扎层741是杂质浓度比第二区域720低的第二导电类型区域(例如，P层)。钉扎层741设置在单片结构784的侧面与绝缘膜740之间的界面以及包含第三区域730的半导体层与埋设绝缘膜782之间的界面中的至少一个界面处。钉扎层741能够抑制在单片结构784的侧面与绝缘膜740之间的界面处或在包含第三区域730的半导体层与埋设绝缘膜782之间的界面处产生的电荷流入第三区域730的耗尽层而产生错误信号或暗电流。
根据第六结构例，即使在设置有单片结构784的情况下，光电探测器700F仍能够抑制错误信号或暗电流的产生。
(第七结构例)
图86是根据第七结构例的光电探测器700G的结构的纵断面图。
如图86所示，光电探测器700G与根据第四结构例的光电探测器700D的不同之处在于：其中，形成有光电探测器700G的基板是诸如硅基板等半导体基板。在这种情况下，钉扎层741可以设置在包含第三区域730的半导体基板与绝缘膜740之间的界面处。
根据第七结构例，光电探测器700G可以通过使用更便宜的基板来降低制造成本。
(第八结构例)
图87是根据第八结构例的光电探测器700H的结构的纵断面图。
如图87所示，光电探测器700H与根据第六结构例的光电探测器700F的不同之处在于：其中形成有光电探测器700H的基板是不包括支撑基板781的SOI基板。在这种情况下，钉扎层741可以设置在单片结构784的侧面与绝缘膜740之间的界面处以及包含第三区域730的半导体层与单片结构784之间的界面处中的至少一个界面处。
根据第八结构例，光电探测器700H能够通过降低整体构造来使芯片更小。
(第九结构例)
图88是根据第九结构例的光电探测器700I的结构的纵断面图。
如图88所示，光电探测器700I与根据第二结构例的光电探测器700B的不同之处在于，第一区域710设置在半导体基板的与设置有第二区域720的表面相反的表面。即，光电探测器700I与根据第二结构例的光电探测器700B的不同之处在于，第一区域710、第三区域730和第二区域720沿半导体基板的厚度方向布置。
具体地，第二区域720设置在半导体基板的第二表面侧。相反地，第一区域710设置在半导体基板的与设置有第二区域720的第二表面相反的第一表面侧。第三区域730是第三导电类型区域(例如，i层)。第三区域730设置在半导体基板的第一区域710和第二区域720之间。
这里，绝缘膜740设置在半导体基板的设置有第二区域720的第二表面。因此，钉扎层741可以设置在半导体基板的设置有第二区域720的第二表面与绝缘膜740之间的界面处。
根据第九结构例，光电探测器700I可以在半导体基板的厚度方向上布置第一区域710、第三区域730和第二区域720。这能够使芯片面积更小。
(第十结构例)
图89是根据第十结构例的光电探测器700J的结构的纵断面图。
如图89所示，光电探测器700J与根据第九结构例的光电探测器700I的不同之处在于设置了多个第二区域720。
具体地，多个第二区域720设置在半导体基板的第二表面侧以彼此隔离。此外，控制栅极761隔着栅极绝缘膜762设置在每个第二区域720周围的半导体基板上方。控制栅极716可以设置在第二区域720的两侧，或控制栅极716可以设置为围绕第二区域720的整个周边。
这里，在光电探测器700J中，多个第二区域720以及多个控制栅极761的各者之间的区域是光吸收区域731。绝缘膜740设置在光吸收区域731的半导体基板上。因此，钉扎层741可以设置在半导体基板的设置有光吸收区域731的第二表面与绝缘膜740之间的界面处。
根据第十结构例，光电探测器700J能够更有效地从第三区域730提取电流。
(第十一结构例)
图90是根据第十一结构例的光电探测器700K的结构的纵断面图。
如图90所示，光电探测器700K包括第一区域710、第一电极711、第二区域720、第二电极721、第三区域730、复位区域791、复位电极766、栅极绝缘膜767、接地区域792、接地电极765、面内隔离层753和钉扎层741。
第一区域710、第一电极711、第二区域720、第二电极721和第三区域730已经相对于根据第一结构例的光电探测器700A等进行了说明，且因此在此不再说明。应注意，光电探测器700K在半导体基板的同一表面侧设置有第一区域710、第一电极711、第二区域720和第二电极721。
复位区域791是第一导电类型区域(例如，N+层)。复位电极766隔着栅极绝缘膜767设置在复位区域791上。通过从复位电极766施加电压，复位区域791可以将剩余在第三区域730内的电荷排出到第三区域730的外部。复位区域791可以设置在第二区域720的两侧，或复位区域791可以设置为围绕第二区域720的周边。
接地区域792是第二导电类型区域(例如，P+层)。接地区域792电连接至接地电极765并向第三区域730提供接地电势。接地区域792可以设置为与第一区域710和第二区域720隔离。
面内隔离层753设置在第一区域710、第二区域720、复位区域791和接地区域792之间，该第一区域710、第二区域720、复位区域791和接地区域792设置在包含第三区域730的半导体基板的同一表面侧。面内隔离层753通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而形成。面内隔离层753将第一区域710、第二区域720、复位区域791和接地区域792彼此隔离。面内隔离层753可以设置为延伸至比第一区域710、第二区域720、复位区域791和接地区域792中的每一个的形成深度更深的区域。
在光电探测器700K中，钉扎层741可以设置在包含第三区域730的半导体基板与作为绝缘体的各面内隔离层753之间的界面处。具体地，钉扎层741可以设置为覆盖埋入在半导体基板中的面内隔离层753的侧面和底面。
根据第十一结构例，光电探测器700K能够抑制错误信号或暗电流的产生，并且提高电极之间的电隔离特性。
(第十二结构例)
图91是根据第十二结构例的光电探测器700L的结构的纵断面图。
如图91所示，光电探测器700L包括例如第一区域710、第二区域720、第三区域730、第一电极711、通孔712、第一表面绝缘层751、像素隔离层750、第二电极721、控制栅极761和栅极绝缘膜762。
第一区域710是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的第一表面侧的第一导电类型区域(例如，N+层)。第二区域720是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的与第一表面相反的第二表面侧的第二导电类型区域(例如，P+层)。第三区域730是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的第一区域710和第二区域720之间的第三导电类型区域(例如，i层)。
第一电极711隔着第一表面绝缘层751设置在半导体基板的第一表面上。第一电极711通过贯穿第一表面绝缘层751的通孔712等与第一区域710电连接。第一电极711用作例如阴极电极。第一电极711例如设置为沿着像素之间的边界跨越像素隔离层750。第一电极711通过为每个像素设置的通孔712电连接至每个像素的第一区域710。
像素隔离层750设置为在厚度方向上贯穿半导体基板，并且将设置在半导体基板的面内方向上的多个像素中的每一个彼此电隔离。例如，像素隔离层750可以沿着在半导体基板的面内方向上以矩阵布置的各像素之间的边界以网格图案设置。
第二电极721设置在半导体基板的与第一表面相反的第二表面。第二电极721电连接至第二区域720。第二电极721用作例如阳极电极。
控制栅极761是隔着栅极绝缘膜762设置在半导体基板的第二表面上的栅极电极。控制栅极761可以通过施加电压来控制第三区域730中的势垒。
第一电极711、通孔712、第二电极721和控制栅极761可以分别通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)，或其他导电材料而制成。第一表面绝缘层751、像素隔离层750和栅极绝缘膜762可以分别通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
在光电探测器700L中，钉扎层741可以设置在像素隔离层750与第三区域730之间的界面处。具体地，钉扎层741可以设置为覆盖像素隔离层750的侧面。
根据第十二结构例，即使在光电探测器700L设置为背照式像素阵列结构的情况下，光电探测器700L也能够抑制错误信号或暗电流的产生。
(第十三结构例)
图92是根据第十三结构例的光电探测器700M的结构的纵断面图。图93A和93B各自是根据第十三结构例的光电探测器700M的平面结构的示例的顶视图。图92所示的光电探测器700M的横截面结构对应于分别沿图93A和93B的A-AA切割面获取的横截面结构。
如图92、93A和93B所示，第十三结构例对应于这样的结构：将根据第一结构例的第二导电类型的钉扎层741替换为具有负固定电荷或静电特性的钉扎层742。因此，这里将不再详细说明钉扎层742以外的部件。应注意，钉扎层742可以如图92所示堆叠在半导体基板上，也可以如稍后说明的图96所示埋入在半导体基板内部。
钉扎层742是具有负固定电荷的层或具有负静电特性的层。钉扎层742可以通过使用例如下列的材料而形成：氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、氧化钛(TIO2)、氧化镧(La2O3)、氧化镨(Pr2O3)、氧化铈(CeO2)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钷(Pm2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化钬(Ho2O3)、氧化铥(Tm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化镥(Lu2O3)、氧化钇(Y2O3)或各种树脂等。此外，钉扎层742可以形成为多层膜，其通过将上述的多种材料组合并堆叠而形成。应注意，钉扎层742可以通过使用任何其他材料而形成，只要该材料是具有负固定电荷或负静电特性的绝缘材料即可。
根据第十三结构例，光电探测器700M能够抑制错误信号或暗电流的产生。
(第十四结构例)
图94是根据第十四结构例的光电探测器700N的结构的纵断面图。图95A和95B各自是根据第十四结构例的光电探测器700N的平面结构的示例的顶视图。图94所示的光电探测器700N的横截面结构对应于分别沿着图95A和95B的A-AA切割面获取的横截面结构。
如图94至图95B所示，第十四结构例对应于这样的结构：将根据第二结构例的第二导电类型的钉扎层741替换为在第十三结构例中已经说明的具有负固定电荷或静电特性的钉扎层742。因此，这里将不再详细说明每个部件。应注意，钉扎层742可以如图94所示堆叠在半导体基板上，也可以如稍后说明的图96所示埋入在半导体基板内部。
根据第十四结构例，光电探测器700N能够进一步抑制由于在半导体基板和绝缘膜740之间的界面处产生的电子而产生错误信号或暗电流。
(第十五结构例)
图96是根据第十五结构例的光电探测器700O的结构的纵断面图。图97A、97B、99A和99B分别是如下区域的示例的平面图，其中，在包含第三区域730的半导体层的表面侧形成有钉扎层742。图98A、98B、100A和100B是这样区域的示例的平面图，其中，在包含第三区域730的半导体层与埋设绝缘膜782之间的界面处形成钉扎层742。应注意，图96所示的光电探测器700O的横截面结构对应于沿着图97A至100B的各者的A-AA切割面获取的横截面结构。
如图96至图100B所示，第十五结构例对应于这样的结构，其中，将根据第三结构例的第二导电类型的钉扎层741替换为在第十三结构例中已经说明的具有负固定电荷或静电特性的钉扎层742。因此，这里将不再详细说明每个部件。应注意，钉扎层742可以如图96所示埋入在半导体基板内部，也可以如上述的图92和94所示堆叠在半导体基板上。
根据第十五结构例，即使在其中形成有光电探测器700O的基板是SOI基板的情况下，光电探测器700O也能够抑制错误信号或暗电流的产生。
(第十六结构例)
图101是根据第十六结构例的光电探测器700P的结构的纵断面图。图102A、102B、104A和104B分别是如下区域的示例的平面图：其中，在电荷产生层783的表面侧形成有钉扎层742。图103A、103B、105A和105B分别是如下区域的示例的平面图：其中，在包含第三区域730的半导体层与埋设绝缘膜782之间的界面处形成有钉扎层742。应注意，图101所示的光电探测器700P的横截面结构对应于沿着图102A至105B的各者的A-AA切割面获取的横截面结构。
如图101至图105B所示，第十六结构例对应于这样的结构：将根据第四结构例的第二导电类型的钉扎层741替换为在第十三结构例中已经说明的具有负固定电荷或静电特性的钉扎层742。因此，这里将不再详细说明每个部件。应注意，钉扎层742可以如图101所示埋入在电荷产生层783内部，也可以如上述的图92和94所示堆叠在电荷产生层783上。
根据第十六结构例，光电探测器700P能够提高对于入射光的光电转换特性。
(第十七结构例)
图106是根据第十七结构例的光电探测器700Q的结构的纵断面图。
如图106所示，第十七结构例对应于如下结构：其中，将根据第十一结构例的第二导电类型的钉扎层741替换为在第十三结构例中已经说明的具有负固定电荷或静电特性的钉扎层742。因此，这里将不再详细说明每个部件。
根据第十七结构例，光电探测器700Q能够抑制错误信号或暗电流的产生，并且提高电极之间的电隔离性。
(第十八结构例)
图107是根据第十八结构例的光电探测器700R的结构的纵断面图。
如图107所示，第十八结构例对应于如下结构：其中，将根据第十二结构例的第二导电类型的钉扎层741替换为在第十三结构例中已经说明的具有负固定电荷或静电特性的钉扎层742。因此，这里将不再详细说明每个部件。
根据第十八结构例，即使在光电探测器700R设置为背照式像素阵列结构的情况下，光电探测器700R也能够抑制错误信号或暗电流的产生。
<6.第六实施例>
(基本结构)
接着，参照图108A至110说明根据本发明第六实施例的光电探测器的基本结构。图108A是根据本实施例的光电探测器800的结构的从第二表面侧观察到的平面图。图108B是光电探测器800的结构在图108A的A-AA切割面中的纵断面图。图108C是光电探测器800的结构在图108A的B-BB切割面中的纵断面图。图109是光电探测器800中包括的像素电路中的像素晶体管的布置示例的平面图。图110是图示用作DPD传感器和PD的光电探测器800中包括的像素电路的等效电路的示例的电路图。
如图108A至108C所示，光电探测器800包括例如第一区域810、第二区域820、第三区域830、第一电极811、第二电极821、控制栅极CG、第一导电类型区域891、传输栅极TRG、浮动扩散区FD和提取电极893。
第一区域810是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的第一表面侧的第一导电类型区域(例如，N+层)。第二区域820是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的与第一表面相反的第二表面侧的第二导电类型区域(例如，P+层)。例如，第二区域820可以以岛状设置，大致位于矩形像素区域的中心。第三区域830设置在诸如硅(Si)等半导体基板的第一区域810和第二区域820之间且导电杂质浓度低于第一区域810的第一导电类型区域(例如，N-层)。
第一电极811设置在半导体基板的第一表面。第一电极811电连接至第一区域810。第一电极811用作例如阴极电极。第二电极821设置在半导体基板的与第一表面相反的第二表面。第二电极821电连接至第二区域820。第二电极821用作例如阳极电极。
控制栅极CG是隔着栅极绝缘膜(未图示)设置在半导体基板的第二表面上的栅极电极。控制栅极CG可以通过施加电压来控制第三区域830中的势垒。例如，控制栅极CG可以在半导体基板的平面中的第一方向(即，图108A的A-AA切割面的延伸方向)上设置在第二区域820的两侧。
第一导电类型区域891是设置在半导体基板的第二表面侧的第一导电类型区域(例如，N层)。第一导电类型区域891例如设置为导电杂质浓度低于第一区域810的导电杂质浓度且高于第三区域830的导电杂质浓度。第一导电类型区域891设置为从第二区域820沿半导体基板的平面中的与第一方向正交的第二方向(即，图108A的B-BB切割面的延伸方向)延伸。
浮动扩散区FD是具有比第二区域820更高的导电杂质浓度的第二导电类型区域(例如，P++层)。浮动扩散区FD设置在半导体基板的第二表面侧。浮动扩散区FD可以设置在从第二区域820沿第二方向延伸的第一导电类型区域891的端侧。
传输栅极TRG是隔着栅极绝缘膜(未图示)设置在半导体基板的第二表面上的栅极电极。传输栅极TRG设置在第二区域820和浮动扩散区FD之间，并且通过施加电压将电荷从第二区域820传输到浮动扩散区FD。
这里，第一导电类型区域891可以设置到传输栅极TRG下方的区域以及围绕设置有浮动扩散区FD的区域的区域中。这使第一导电类型区域891可以用作将电荷从第二区域820传输到浮动扩散区FD的沟道。此外，第一导电类型区域891能够防止在第三区域830中光电转换得到的电荷直接进入浮动扩散区FD。
提取电极893设置在半导体基板的第一表面并且电连接至浮动扩散区FD。提取电极893可以将在浮动扩散区FD中积累的电荷输出到像素电路等。
第一电极811、第二电极821、控制栅极CG、传输栅极TRG和提取电极893可以分别通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)，或其他导电材料而制成。
因此，如图108A和108B所示，光电探测器800包括第一区域810、第二区域820、第三区域830、第一电极811、第二电极821和控制栅极CG。这使光电探测器800可以用作DPD(动态光电二极管)传感器。
此外，如图108A和108C所示，光电探测器800包括例如第一区域810、第二区域820、第三区域830、第一电极811、第一导电类型区域891、传输栅极TRG、浮动扩散区FD和提取电极893。这使光电探测器800可以用作一般的PD(光电二极管)。
这里，在光电探测器800用作一般的PD的情况下，从浮动扩散区FD提取出的电荷通过像素电路的信号处理被转换为像素信号。
图110图示了光电探测器800中包括的像素电路的等效电路图。注意，图110中的DPD/PD表示具有第一区域810、第三区域830和第二区域820的PIN二极管结构的光电转换部。
如图110所示，DPD传感器的像素电路包括光电转换部DPD和开关晶体管SW。在DPD传感器的像素电路中，光电转换部DPD通过开关晶体管SW与电源Va电连接。
PD的像素电路包括光电转换部PD、传输晶体管TRG、浮动扩散区FD、复位晶体管RST、放大晶体管AMP和选择晶体管SEL。在PD的像素电路中，光电转换部PD通过传输晶体管TRG电连接至浮动扩散区FD。此外，电源Vd还通过复位晶体管RST连接至浮动扩散区FD。此外，放大晶体管AMP的栅极连接至浮动扩散区FD。放大晶体管AMP的漏极连接至电源Vd，放大晶体管AMP的源极通过选择晶体管SEL连接至外部输出Output。应注意，DPD传感器侧的电源Va和PD侧的电源Vd可以是彼此不同的电源，也可以是同一个电源。
光电探测器800包括这样的像素电路。这使光电探测器800可以用作DPD传感器和PD。
此外，如图109所示，包括在上述像素电路中的像素晶体管中的至少任何一个或多个可以形成在光电探测器800的像素晶体管区域Tr中。具体地，复位晶体管RST、放大晶体管AMP、选择晶体管SEL或开关晶体管SW可以形成在像素晶体管区域Tr中，该像素晶体管区域Tr设置在像素区域的第一方向(即，图108A的A-AA切割面的延伸方向)的两端。
例如，复位晶体管RST和放大晶体管AMP可以形成在传输栅极TRG一侧的像素晶体管区域Tr中。此外，选择晶体管SEL和开关晶体管SW可以形成在传输栅极TRG另一侧的像素晶体管区域Tr中。
(操作示例)
随后，参照图111至113C说明根据本实施例的光电探测器800作为ToF(飞行时间)传感器的操作示例。
图111是图示根据本实施例的光电探测器800的ToF传感器的操作的示例的时序图。图112是说明ToF传感器所使用的光源的说明图。图113A是说明光电探测器800在图111的时刻(1)的状态的纵断面图。图113B是说明光电探测器800在图111的时刻(2)的状态的纵断面图。图113C是说明光电探测器800在图111的时刻(3)的状态的纵断面图。
如图111和113A所示，首先，在图111的时刻(1)将正电压施加到电压VSW以施加到开关晶体管SW的栅极，以使开关晶体管SW导通。随后，假设施加到第二电极821的电压Va是负电压(例如，-1V)。在这种情况下，施加到第一电极811的电压Vc为0V。因此，在光电探测器800的第一区域810和第二区域820之间施加反向偏压。应注意，施加到控制栅极CG的电压Vcon被设置为负电压(例如，-1V)。
这里，如图111、112和113B所示，在图111的时刻(2)施加脉冲负电压Vlight到诸如激光二极管或LED(发光二极管)等光源LD，以使用脉冲光照射目标。同时，将正电压(例如，+1V)作为要施加至第二电极821的电压Va进行施加，以在光电探测器800的第一区域810和第二区域820之间施加正向偏压。此外，施加到控制栅极CG的电压Vcon被设置为正电压(例如，+1V)。
之后，目标反射的脉冲光入射到光电探测器800上，从第二电极821输出的电流值随着从时刻(2)延迟而增大。这使光电探测器800可以通过计算光源LD的发光时刻t2与光检测延迟时间t1之间的差来计算到目标的距离。
此外，如图111和113C所示，在图111的时刻(3)将负电压(例如，-1V)作为电压Va施加到第二电极821。这在光电探测器800的第一区域810和第二区域820之间施加反向偏压。光电探测器800的状态因此被复位。应注意，施加到控制栅极CG的电压Vcon可以被同样设置为负电压(例如，-1V)。
通过以从(1)到(3)的时间为一帧重复上述操作，光电探测器800可以针对每一帧检测与目标的距离。
与此相对地，施加到传输栅极TRG的栅极的电压VTRG和施加到复位晶体管RST的栅极的电压VRST在整个一帧中为0V。传输栅极TRG和复位晶体管RST是PD侧的像素电路。此外，与浮动扩散区FD电连接的提取电极893的电压在整个一帧中不改变。
此外，参照图114至115E说明根据本实施例的光电探测器800作为PD的操作示例。
图114是图示根据本实施例的光电探测器800的PD操作的示例的时序图。图115A是说明光电探测器800在图114的时刻(1)的状态的纵断面图，图115B是说明光电探测器800在图114的时刻(2)的状态的纵断面图。图115C是说明光电探测器800在图114的时刻(3)的状态的纵断面图，图115D是说明光电探测器800在图114的时刻(4)的状态的纵断面图。图115E是说明光电探测器800在图114的时刻(5)的状态的纵断面图。
如图114和115A所示，首先，在图114的时刻(1)将施加到开关晶体管SW的栅极的电压VSW设置为0V，以使开关晶体管SW截止，且将施加到第二电极821的电压Va设置为0V。此外，将脉冲电压VRST(例如，+1V)施加到复位晶体管RST的栅极，以将浮动扩散区FD中积累的电荷排出到电源Vd，使浮动扩散区FD的状态复位。
然后，如图115B所示，将脉冲电压VTRG(例如，-3V)施加到传输晶体管TRG的栅极，以将存在于第二区域820中的电荷传输到浮动扩散区FD，使第二区域820的状态复位。这使光电探测器800在图114的时刻(2)开始接收入射光。
随后，如图114和115C所示，光电探测器800对入射在第三区域830上的光进行光电转换并将光电转换得到的电荷积累在第二区域820中。
如图114和115D所示，从图114的时刻(1)开始经过预定时间后，在图114的时刻(4)将脉冲电压VRST(例如，+1V)施加到复位晶体管RST的栅极，以将浮动扩散区FD中积累的电荷排出到电源Vd，使浮动扩散区FD的状态复位。
如图115E所示，然后将脉冲电压VTRG(例如，-3V)施加到传输晶体管TRG的栅极以将第二区域820中积累的电荷传输到浮动扩散区FD，并且从提取电极893读出信号电荷。这使光电探测器800在图114的时刻(5)进入与图114的时刻(2)相同的状态。这可以再次开始接收入射光。
以从(1)到(4)的时间为一帧重复上述操作。这使光电探测器800为每一帧将对应于接收光量的电荷转换为电信号，并将该电信号输出为图像信号。
(像素阵列的电路结构)
此外，参照图116说明在根据本实施例的光电探测器800构造为多个像素以矩阵布置的像素阵列的情况下的电路构造的示例。图116是图示根据本实施例的光电探测器800为像素阵列时的功能构造的框图。
如图116所示，DPD控制电路801、DPD信号检测电路803、PD控制电路802和PD信号检测电路804连接至每个像素的光电转换部DPD/PD。
每个像素的DPD控制电路801和DPD信号检测电路803连接至DPD水平控制部8210、DPD信号处理部8220和垂直控制单元8300。此外，每个像素的PD控制电路802和PD信号检测电路804连接至PD水平控制部8110、PD信号处理部8120和垂直控制单元8300。此外，每个像素连接至切换光电转换部DPD/PD的DPD操作或PD操作的DPD/PD切换控制单元8400。
DPD/PD切换控制单元8400连接至DPD水平控制部8210、PD水平控制部8110和每个像素。DPD/PD切换控制单元8400通过输出DPD/PD切换信号来切换每个像素的DPD/PD操作。
应注意，DPD/PD操作的切换可以一次对所有像素进行，也可以对像素阵列的每个预定像素进行，这取决于诸如成像或测距之类的应用。此外，DPD/PD操作可以以分时方式进行切换，或可以针对每一帧进行切换。
垂直控制单元8300连接至DPD水平控制部8210和PD水平控制部8110。在光电转换部DPD/PD进行DPD操作和PD操作的情况下，垂直控制单元8300将读出信号逐行输出到DPD水平控制部8210和PD水平控制部8110。
在输入每行的读出信号的情况下，DPD水平控制部8210逐列读出每个像素的DPD信号，并将读出的DPD信号输出到DPD信号处理部8220。
在对输入的DPD信号进行信号处理之后，DPD信号处理部8220将经过信号处理的DPD信号作为ToF数据输出。
在输入每行的读出信号的情况下，PD水平控制部8110逐列读出每个像素的PD信号，并将读出的PD信号输出到PD信号处理部8120。
在对输入的PD信号进行信号处理之后，PD信号处理部8120将经过信号处理的PD信号作为图像数据输出。
ToF光源控制单元8500连接至垂直控制单元8300和DPD信号处理部8220。ToF光源控制单元8500控制在ToF操作期间发光的光源LD的发光时刻。ToF光源控制单元8500可以通过将光源LD的发光时刻信号输出到垂直控制单元8300和DPD信号处理部8220来控制DPD信号的信号处理或DPD信号的读出。
(变形例)
随后，参照图117A至127C说明根据本实施例的光电探测器800的结构的变形例。
(第一变形例)
图117A是根据第一变形例的光电探测器800A的结构的从第二表面侧观察到的平面图。图117B是光电探测器800A的结构在图117A的A-AA切割面中的纵断面图。图117C是光电探测器800A的结构在图117A的B-BB切割面中的纵断面图。
如图117A至117C所示，光电探测器800A与参照图108A至108C说明的光电探测器800的不同之处在于，光电探测器800A还包括第一导电类型区域895、溢流栅极OFG、溢流漏极OFD和放电电极897。
第一导电类型区域895是设置在半导体基板的第二表面侧的第一导电类型区域(例如，N层)。第一导电类型区域895设置为例如导电杂质的浓度低于第一区域810的浓度且导电杂质的浓度高于第三区域830的浓度。第一导电类型区域895可以设置为在与第一导电类型区域891的延伸方向相反的方向上从第二区域820延伸。
溢流漏极OFD是导电杂质浓度高于第二区域820的第二导电类型区域(例如，P++层)。溢流漏极OFD设置在半导体基板的第二表面侧。溢流漏极OFD可以设置在从第二区域820延伸的第一导电类型区域895的端侧。
溢流栅极OFG是隔着栅极绝缘膜(未图示)设置在半导体基板的第二表面上的栅极电极。溢流栅极OFG设置在第二区域820和溢流漏极OFD之间。溢流栅极OFG控制电荷从第二区域820向溢流漏极OFD的排放。
这里，第一导电类型区域895可以设置于在溢流栅极OFG下方的区域和设置有溢流漏极OFD的区域周围的区域中。这使第一导电类型区域895可以用作将电荷从第二区域820排出到溢流栅极OFG的沟道。此外，第一导电类型区域895可以防止第三区域830光电转换得到的电荷直接进入溢流漏极OFD。
放电电极897设置在半导体基板的第一表面且电连接至溢流漏极OFD。放电电极897电连接至电源。放电电极897能够将排出至溢流漏极OFD的电荷进一步排出至电源。
这使光电探测器800A能够将在PD操作期间产生的超过饱和电荷量的电荷从第二区域820排出到溢流漏极OFD。被排出到溢流漏极OFD的电荷通过放电电极897进一步排出到电源。这使光电探测器800A能够抑制在PD操作期间产生光晕。
根据第一变形例，光电探测器800A还包括溢流栅极OFG和溢流漏极OFD，从而能够抑制PD操作期间的光晕。
(第二变形例)
图118A是根据第二变形例的光电探测器800B的结构的从第二表面这一侧观察到的平面图。图118B是光电探测器800B的结构在图118A的A-AA切割面中的纵断面图。图118C是光电探测器800B的结构在图118A的B-BB切割面中的纵断面图。
如图118A至118C所示，光电探测器800B与参照图108A至108C说明的光电探测器800的不同之处在于光电探测器800B还包括限定像素区域的像素隔离层850。
像素隔离层850设置为沿半导体基板的厚度方向从半导体基板的第二表面侧延伸以围绕矩形像素区域的外周。像素隔离层850将相邻像素彼此电隔离。像素隔离层850的形成深度可以比例如第二区域820、第一导电类型区域891和像素晶体管区域Tr的形成深度深。像素隔离层850可以通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
根据第二变形例，光电探测器800B可以通过像素隔离层850将相邻像素电隔离。这能够抑制像素之间的串扰。
(第三变形例)
图119A是根据第三变形例的光电探测器800C的结构的从第二表面侧观察到的平面图。图119B是光电探测器800C的结构在图119A的A-AA切割面中的纵断面图。图119C是光电探测器800C的结构在图119A的B-BB切割面中的纵断面图。
如图119A至119C所示，光电探测器800C与根据第二变形例的光电探测器800B的不同之处在于，光电探测器800C还包括第一导电类型区域895、溢流栅极OFG、溢流漏极OFD和放电电极897。
根据第三变形例，光电探测器800C还包括溢流栅极OFG和溢流漏极OFD，从而能够抑制PD操作期间的光晕。
(第四变形例)
图120A是根据第四变形例的光电探测器800D的结构的从第二表面侧观察到的平面图。图120B是光电探测器800D的结构在图120A的A-AA切割面中的纵断面图。图120C是光电探测器800D的结构在图120A的B-BB切割面中的纵断面图。
如图120A至120C所示，光电探测器800D与参照图118A至118C说明的光电探测器800B的不同之处在于，光电探测器800D还包括设置在像素隔离层850内部的金属层852。
金属层852通过使用具有遮光性的金属制成并设置在像素隔离层850内部。具体地，金属层852设置为从半导体基板的第二表面侧沿半导体基板的厚度方向延伸。此外，金属层852的侧面和底面被像素隔离层850覆盖。金属层852具有遮光性。这能够防止从斜向入射到光电探测器800D的光进入相邻的像素。金属层852可以通过使用例如诸如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属或其合金而制成。
根据第四变形例，光电探测器800D能够通过金属层852防止光进入像素之间。因此，能够进一步抑制像素之间的串扰。
(第五变形例)
图121A是根据第五变形例的光电探测器800E的结构的从第二表面侧观察到的平面图。图121B是光电探测器800E的结构在图121A的A-AA切割面中的纵断面图。图121C是光电探测器800E的结构在图121A的B-BB切割面中的纵断面图。
如图121A至121C所示，光电探测器800E与根据第四变形例的光电探测器800D的不同之处在于，还设置有第一导电类型区域895、溢流栅极OFG、溢流漏极OFD和放电电极897。
根据第五变形例，光电探测器800E还包括溢流栅极OFG和溢流漏极OFD，从而能够抑制PD操作期间的光晕。
(第六变形例)
图122A是根据第六变形例的光电探测器800F的结构的从第二表面侧观察到的平面图。图122B是光电探测器800F的结构在图122A的A-AA切割面中的纵断面图。图122C是光电探测器800F的结构在图122A的B-BB切割面中的纵断面图。
如图122A至122C所示，光电探测器800F与参照图108A至108C说明的光电探测器800的不同之处在于，控制栅极CG设置为具有垂直栅极结构。
具体地，控制栅极CG可以包括挖掘电极(dug electrode)865和栅极绝缘膜863。挖掘电极865可以设置为在半导体基板的厚度方向上从半导体基板的第二表面侧延伸，且挖掘电极865的侧面和底面可以设置有栅极绝缘膜863。应注意，挖掘电极865可以以矩形形状设置在半导体基板的面内方向上。
根据第六变形例，光电探测器800F能够进一步提高在DPD操作期间在与第二区域820相邻的区域中产生的势垒的可控性。因此，能够进一步提高入射光的检测特性。
(第七变形例)
图123A是根据第七变形例的光电探测器800G的结构的从第二表面侧观察到的平面图。图123B是光电探测器800G的结构在图123A的A-AA切割面中的纵断面图。图123C是光电探测器800G的结构在图123A的B-BB切割面中的纵断面图。
如图123A至123C所示，光电探测器800G与根据第六变形例的光电探测器800F的不同在于，还设置有第一导电类型区域895、溢流栅极OFG、溢流漏极OFD和放电电极897。
根据第七变形例，光电探测器800G还包括溢流栅极OFG和溢流漏极OFD，从而能够抑制PD操作期间的光晕。
(第八变形例)
图124A是根据第八变形例的光电探测器800H的结构的从第二表面侧观察到的平面图。图124B是光电探测器800H的结构在图124A的A-AA切割面中的纵断面图。图124C是光电探测器800H的结构在图124A的B-BB切割面中的纵断面图。
如图124A至124C所示，光电探测器800H包括例如第一区域810、第二区域820、第三区域830、第一电极811、通孔812、第一表面绝缘层851、像素隔离层850、金属层852、第二电极821、控制栅极861、栅极绝缘膜862、像素晶体管区域Tr、第一导电类型区域891、传输栅极892、栅极绝缘膜894、浮动扩散区FD和提取电极893。
第一区域810是设置在半导体基板的第一表面侧的第一导电类型区域(例如，N+层)。第二区域820是设置在半导体基板的与第一表面相反的第二表面侧的第二导电类型区域(例如，P+层)。第三区域830是设置在半导体基板的第一区域810和第二区域820之间的第三导电类型区域(例如，i层或N-层)。
第一电极811隔着第一表面绝缘层851设置在半导体基板的第一表面上。第一电极811通过贯穿第一表面绝缘层851的通孔812等与第一区域810电连接。第一电极811用作例如阴极电极。第一电极811设置为跨过设置在像素之间边界处的像素隔离层850。第一电极811通过为每个像素设置的通孔812电连接至每个像素的第一区域810。这使第一电极811能够向被像素隔离层850电隔离的各像素的第一区域810提供共用电势。
像素隔离层850设置为在厚度方向上贯穿半导体基板，并且将在半导体基板的面内方向上设置的多个像素中的每一个彼此电隔离。像素隔离层850可以沿着在半导体基板的面内方向上以例如矩阵形式布置的各像素之间的边界以网格图案设置。
金属层852通过使用具有遮光性的金属制成并设置在像素隔离层850内部。具体地，金属层852设置为从半导体基板的第二表面侧沿半导体基板的厚度方向延伸。此外，金属层852的侧面和底面由像素隔离层850覆盖。金属层852可以防止从斜向入射的光进入相邻的像素。金属层852可以通过使用例如诸如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属或它们的合金而制成。
第二电极821设置在半导体基板的与第一表面相反的第二表面。第二电极821电连接至第二区域820。第二电极821用作例如阳极电极。
控制栅极861是隔着栅极绝缘膜862设置在半导体基板的第二表面上的栅极电极。控制栅极861可以通过施加电压来控制第三区域830中的势垒。
第一导电类型区域891是设置在半导体基板的第二表面侧的第一导电类型区域(例如，N层)。第一导电类型区域891设置为例如导电杂质的浓度低于第一区域810的导电杂质的浓度且高于第三区域830的导电杂质的浓度。第一导电类型区域891设置为从第二区域820沿一个方向延伸。
浮动扩散区FD是具有比第二区域820更高的导电杂质浓度的第二导电类型区域(例如，P++层)。浮动扩散区FD设置在半导体基板的第二表面侧。浮动扩散区FD可以在从第二区域820延伸的第一导电类型区域891的端侧设置在第一导电类型区域891内部。
传输栅极892是隔着栅极绝缘膜894设置在半导体基板的第二表面上的栅极电极。传输栅极892在第二区域820和浮动扩散区FD之间设置在第一导电类型区域891上，并且可以通过施加电压将电荷从第二区域820传输到浮动扩散区FD。
提取电极893设置在半导体基板的第一表面且电连接至浮动扩散区FD。提取电极893能够将在浮动扩散区FD中积累的电荷输出到像素电路等。
像素晶体管区域Tr是设置有像素电路中所包括的至少任一个或多个像素晶体管的区域。
第一电极811、通孔812、第二电极821、控制栅极861、传输栅极892和提取电极893可以分别通过使用例如铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钛(Ti)或钽(Ta)等金属，多晶硅(poly-Si)，或其他导电材料而制成。第一表面绝缘层851、像素隔离层850以及栅极绝缘膜862和894可以分别通过使用诸如硅氧化物(SiOx)、硅氮化物(SiNx)、硅氮氧化物(SiON)或所谓的低k材料等绝缘体而制成。
根据第八变形例，光电探测器800H具有所谓的背照式结构。这使光电探测器800H能够提高光检测效率。此外，光电探测器800H包括像素隔离层850和金属层852。这能够提高像素之间的隔离特性和像素之间的光学串扰特性。
(第九变形例)
图125A是根据第九变形例的光电探测器800I的结构的从第二表面侧观察到的平面图。图125B是光电探测器800I的结构在图125A的A-AA切割面中的纵断面图。图125C是光电探测器800I的结构在图125A的B-BB切割面中的纵断面图。
如图125A至125C所示，光电探测器800I与根据第八变形例的光电探测器800H的不同之处在于，还设置有第一导电类型区域895、溢流栅极896、栅极绝缘膜898、溢流漏极OFD和放电电极897。
根据第九变形例，光电探测器800I还包括溢流栅极OFG和溢流漏极OFD，从而能够抑制PD操作期间的光晕。
(第十变形例)
图126A是根据第十变形例的光电探测器800J的结构的从第二表面侧观察到的平面图。图126B是光电探测器800J的结构在图126A的A-AA切割面中的纵断面图。图126C是光电探测器800J的结构在图126A的B-BB切割面中的纵断面图。
如图126A至图126C所示，光电探测器800J与根据第八变形例的光电探测器800H的不同之处在于：第一区域810电连接到设置在像素隔离层850内部的侧壁电极853，且仅有第一表面绝缘层851设置在半导体基板的第一表面上。
具体地，侧壁电极853设置为在半导体基板的厚度方向上具有台阶。第一区域810设置为具有如下矩形形状：其一侧沿着半导体基板的第一表面和像素隔离层850的侧面形成开口。这使侧壁电极853可以在沿半导体基板的厚度方向形成的台阶的底面处电连接至第一区域810。
根据第十变形例，即使在半导体基板的第一表面不设置电极和布线的情况下，光电探测器800J也能够电连接至第一区域810。这能够进一步增大开口率。这使光电探测器800J能够进一步提高光检测效率。
(第十一变形例)
图127A是根据第十一变形例的光电探测器800K的结构的从第二表面侧观察到的平面图。图127B是光电探测器800K的结构在图127A的A-AA切割面中的纵断面图。图127C是光电探测器800K的结构在图127A的B-BB切割面中的纵断面图。
如图127A至127C所示，光电探测器800K与根据第十变形例的光电探测器800J的不同之处在于，还设置有第一导电类型区域895、溢流栅极OFG、溢流漏极OFD和放电电极897。
根据第十一变形例，光电探测器800K还包括溢流栅极OFG和溢流漏极OFD，从而能够抑制PD操作期间的光晕。
(像素阵列的操作示例)
这里，参照图128至130说明在根据本实施例的光电探测器800构造为多个像素以矩阵布置的像素阵列的情况下的操作示例。图128是图示将多个像素以矩阵布置的像素阵列的平面构造的示例的示意图。图129是说明根据本实施例的光电探测器800的DPD操作和PD操作之间的切换的概念图。图130是图示根据本实施例的光电探测器800的DPD操作和PD操作之间的切换流程的示例的流程图。
如图128所示，根据本实施例的光电探测器800可以包括像素阵列中的ToF像素PToF和成像像素Pimg。ToF像素PToF通过DPD操作获取ToF信息。成像像素Pimg通过PD操作获取成像信息。例如，ToF像素PToF可以以彼此间的预定间隔而周期性地布置在像素阵列中。
在这种情况下，ToF像素PToF和成像像素Pimg可以预先内置在像素阵列中，作为具有不同功能的像素。或者，像素阵列中的每个像素都可以在作为ToF像素PToF操作的像素和作为成像像素Pimg操作的像素之间有选择性地切换。
或者，如图129所示，光电探测器800的像素阵列中的每个像素可以通过切换和进行DPD操作和PD操作来可切换地获取成像信息和ToF信息。例如，光电探测器800可以通过每帧地切换每个像素的操作模式来获取成像信息和ToF信息。具体地，光电探测器800可以通过在进行DPD操作的帧和进行PD操作的帧之间切换来获取成像信息和ToF信息以进行感测。在这种情况下，光电探测器800可以一次切换所有像素的操作模式，或可以有选择性地切换特定像素的操作模式。
随后，参照图130说明使光电探测器800在DPD操作和PD操作之间切换的具体操作流程。图130是说明根据本实施例的光电探测器800的DPD操作和PD操作的切换操作流程的示例的流程图。图130所示的光电探测器800根据是高照度还是低照度来切换DPD操作和PD操作。
如图130所示，首先，预先设定用于在DPD操作和PD操作之间切换的阈值(S101)。在图130所示的操作示例中，针对与照度相关的参数设定阈值。
接着，为了进行DPD操作，控制光子计数控制电路以将其开启(S102)。随后，在光电探测器800的状态被复位(S103)之后，向光电探测器800施加反向偏压，然后将偏压从反向偏压反转为正向偏压(S104)。这使光电探测器800检测光信号(S105)。
此外，对输出脉冲数进行计数(S106)，并将计数值输出到信号处理电路(S107)。之后，信号处理电路计算特定像素的计数值的平均值(S108)。进一步，判断计算出的计数值的平均值是否大于预设的阈值(S109)。在计算出的计数值的平均值小于或等于阈值的情况下(S109/否)，处理流程返回S102。光电探测器800继续进行DPD操作。
相对地，在计算出的计数值的平均值大于阈值的情况下(S109/是)，处理流程移动至S301。控制光子计数控制电路以将其关断(S301)。此外，为了使光电探测器800进行PD操作，控制积累型光电二极管控制电路以将其开启(S201)。随后，在光电探测器800的状态被复位(S202)之后，向光电探测器800施加反向偏压(S203)。这使通过光电探测器800进行光电转换而获得的电荷被积累(S204)。之后，将积累的电荷传输到浮动扩散区FD(S205)，并且输出光信号(S206)。
进一步，判断输出的光信号的输出电压是否小于阈值(S207)。在输出电压大于或等于阈值的情况下(S207/否)，处理流程返回到S201。光电探测器800继续进行PD操作。与此相比，在输出的光信号的输出电压小于阈值的情况下(S207/是)，处理流程移动至S302。控制积累型光电二极管控制电路以将其关断(S302)。进一步，为了使光电探测器800进行DPD操作，控制光子计数控制电路以将其开启(S102)。
根据上述流程的操作示例，光电探测器800可以在低照度的情况下通过DPD操作进行光子计数，且可以在高照度的情况下通过PD操作进行成像。这使光电探测器800可以通过在低照度的情况下以DPD操作进行光子计数来提高S/N，且通过在高照度的情况下以积累型PD操作进行成像来抑制功耗。
应注意，用于在这些DPD操作和积累型PD操作之间切换的阈值可以例如设定为在积累型PD操作中观察到S/N显着劣化时的值。例如，用于在DPD操作和积累型PD操作之间切换的阈值可以设置为与每帧检测到的约几百个光子相对应的值。在检测到的光子数量小于阈值的情况下，可以控制光电探测器800通过PDP操作进行光子计数，且在检测到的光子数量大于阈值的情况下，通过积累型PD操作进行成像。
(应用于光子计数的示例)
随后，参照图131至135说明将根据本实施例的光电探测器800应用于光子计数的示例。
首先，参照图131和132说明通过DPD进行光子计数操作的概要。图131是图示通过DPD进行光子计数操作的概要的框图。图132是图示入射到DPD上的光子与检测到的信号之间的关系的曲线图。
如图131和132所示，在通过DPD进行的光子计数操作中，首先，光接收器接收对在目标上的照射光进行反射而获得的光。接收到的光由DPD等光接收器转换为电信号，成为接收到的光脉冲。然后，计数器电路对接收到的光脉冲进行计数，从而可以与接收到的光脉冲的数量对应地产生计数器信号。计数器信号是具有与光子的数量相对应的强度的信息。之后，图像处理电路可以通过对生成的计数器信号进行信号处理来获取图像信息。
此外，参照图133至134C说明根据本实施例的光电探测器800被构造为能够检测一个入射光子的DPD时的光子计数操作的示例。
图133是图示根据本实施例的光电探测器800的光子计数操作的示例的时序图。图134A是说明光电探测器800在图133的时刻(1)的状态的纵断面图。图134B是说明光电探测器800在图133的时刻(2)的状态的纵断面图。图134C是说明光电探测器800在图133的时刻(3)的状态的纵断面图。
如图133和134A所示，首先，在图133的时刻(1)将正电压施加到电压VSW以施加到开关晶体管SW的栅极，以使开关晶体管SW导通。随后，假设施加到第二电极821的电压Va是负电压(例如，-1V)。在这种情况下，施加到第一电极811的电压Vc为0V。因此，在光电探测器800的第一区域810和第二区域820之间施加反向偏压。应注意，施加到控制栅极CG的电压Vcon被设置为负电压(例如，-1V)。
这里，如图133和134B所示，在图133的时刻(2)将正电压(例如，+1V)作为要施加到第二电极821的电压Va进行施加，以在光电探测器800的第一区域810和第二区域820之间施加正向偏压。此外，施加到控制栅极CG的电压Vcon被设置为正电压(例如，+1V)。
在光子随后入射到光电探测器800的情况下，通过第三区域830进行光电转换将电流脉冲输出到第二电极821。因此，波形检测器检测到输出的电流脉冲，以使计数器能够测量入射光子。这使光电探测器800能够由DPD进行的光子计数操作检测一个入射光子。
此外，如图133和134C所示，在图133的时刻(3)将负电压(例如，-1V)作为电压Va施加到第二电极821。这在光电探测器800的第一区域810和第二区域820之间施加反向偏压。从而复位光电探测器800的状态。应注意，施加到控制栅极CG的电压Vcon可以被同样设置为负电压(例如，-1V)。
通过以从(1)到(3)的时间为计数周期重复上述操作。这使光电探测器800能够通过DPD进行光子计数操作。
(进行光子计数操作的像素阵列的电路结构)
此外，参照图135说明根据本实施例的光电探测器800中进行光子计数操作的像素阵列的电路构造的示例。图135是图示根据本实施例的光电探测器800应用于进行光子计数操作的像素阵列时的功能构造的框图。
如图135所示，DPD控制电路801、DPD信号检测电路803、PD控制电路802、PD信号检测电路804和计数器电路805连接至每个像素的光电转换部DPD/PD。
每个像素的DPD控制电路801、DPD信号检测电路803和计数器电路805连接至DPD水平控制部8210、DPD信号处理部8220和垂直控制单元8300。此外，每个像素的PD控制电路802和PD信号检测电路804连接至PD水平控制部8110、PD信号处理部8120和垂直控制单元8300。此外，每个像素连接至切换光电转换部DPD/PD的DPD操作或PD操作的DPD/PD切换控制单元8400。
DPD/PD切换控制单元8400连接至DPD水平控制部8210、PD水平控制部8110和每个像素。DPD/PD切换控制单元8400通过输出DPD/PD切换信号来切换每个像素的DPD/PD操作。
应注意，DPD/PD操作的切换可以一次对所有像素进行，也可以对像素阵列的每个预定像素进行，这取决于应用。此外，DPD/PD操作的切换可以通过分时方式来进行，或可以针对每一帧进行。
垂直控制单元8300连接至DPD水平控制部8210和PD水平控制部8110。在光电转换部DPD/PD进行DPD操作和PD操作的情况下，垂直控制单元8300将读出信号逐行输出到DPD水平控制部8210和PD水平控制部8110。
在输入每行的读出信号的情况下，DPD水平控制部8210逐列读出每个像素的DPD信号，并将读出的DPD信号输出到DPD信号处理部8220。
在对输入的DPD信号进行信号处理之后，DPD信号处理部8220将经过信号处理的DPD信号作为光子计数数据输出。
在输入每行的读出信号的情况下，PD水平控制部8110逐列读出每个像素的PD信号，并将读出的PD信号输出到PD信号处理部8120。
在对输入的PD信号进行信号处理之后，PD信号处理部8120将经过信号处理的PD信号作为图像数据输出。
如上所述，根据本实施例的光电探测器800不仅可以用作使用PD操作的图像传感器和使用DPD操作的ToF传感器，而且可以用作使用DPD操作的光子计数器。
<7.第七实施例>
(基本结构)
随后，参照图136至140说明根据本发明第七实施例的光电探测器的基本结构。图136是根据本实施例的光电探测器900的结构的纵断面图。图137是说明从光电探测器900输出的电流的各种时间响应的曲线图。图138是图示了相对于图137所示的各种时间响应的线性偏差的曲线图。图139是根据本实施例的光电探测器900的像素阵列构造的平面图。图140是图示图139所示的像素阵列中的普通像素(normal pixel)NP的输出与参考像素(reference pixel)OBP的输出之间关系的曲线图。
如图136所示，光电探测器900包括例如第一区域910、第二区域920、第三区域930、控制栅极963和栅极绝缘膜964。
第一区域910是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的第一表面侧的第一导电类型区域(例如，N+层)。第二区域920是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的与第一表面相反的第二表面侧的第二导电类型区域(例如，P+层)。第三区域930是设置在诸如硅(Si)等半导体基板的第一区域910和第二区域920之间的第三导电类型区域(例如，i层)。
第一区域910例如与设置在半导体基板的第一表面的第一电极(未图示)电连接。第一电极用作例如阴极电极。此外，第二区域920与设置在半导体基板的第二表面的第二电极(未图示)电连接。第二电极用作例如阳极电极。
控制栅极963是隔着栅极绝缘膜964设置在半导体基板的第二表面上的栅极电极。控制栅极963可以通过施加电压来控制第三区域930中的势垒。
在偏压的极性从反向偏压反转为正向偏压的情况下，光电探测器900输出入射光量的大小作为正向电流的上升时间的延迟的量级。然而，在光电探测器900被构造为其中布置有多个像素的像素阵列的情况下，像素阵列中的局部温度变化或各个像素之间的轮廓差异可能改变各个像素中的入射光量与正向电流的延迟特性之间的关系。
具体地，如图137所示，在将偏压的极性从反向偏压反转为正向偏压之后的正向电流的上升时间肯可能因像素阵列中的各像素而存在差异。在这种情况下，如图138所示，一些像素在入射光量和正向电流上升的延迟时间之间的线性可能存在偏差。此外，各个像素在入射光量与正向电流上升的延迟时间之间的关系中可能具有不同的偏移。
如图139所示，在根据本实施例的光电探测器900的像素阵列中，设置有与普通像素NP相邻的参考像素OBP。每个普通像素NP是对入射光进行光电转换且发出与入射光对应的输出的像素。每个参考像素OBP是在入射光的入射面设置有遮光部且发出与入射光无关的输出的像素。遮光部阻挡入射光。参考像素OBP也称为光学黑(Optical Black)像素。
如图140所示，光电探测器900可以通过根据参考像素OBP中的正向电流的上升时间，计算普通像素NP中的正向电流的上升时间的延迟，从而更准确地检测与入射光的光量对应的正向电流的上升时间的延迟。此外，根据本实施例的光电探测器900设置有与普通像素NP相邻的参考像素OBP。这能够进一步抑制由于像素阵列中的局部温度变化或各个像素之间的轮廓差异等而引起的偏差的影响。例如，参考像素OBP可以如图139所示地沿着以矩阵布置的普通像素NP的外边缘设置。
因此，根据本实施例的光电探测器900能够抑制其中布置有多个像素的像素阵列中的各个像素的输出的差异。因此，可以更准确地检测入射光量。
(变形例)
随后，参照图141至149说明根据本实施例的光电探测器900的结构的变形例。
(第一变形例)
图141是说明普通像素NP和参考像素OBP的平面布置的第一变形例的示意性平面图。图142是沿着图141的A-AA切割面获取的横截面构造的纵截面图。
如图141所示，普通像素NP和参考像素OBP可以在像素阵列中以格子图案(黑白格旗图案)布置。具体地，普通像素NP和参考像素OBP可以在矩阵阵列的行方向和列方向上交替布置。
在这种情况下，如图142所示，彼此相邻的普通像素NP和参考像素OBP通过包括绝缘体的像素隔离层950彼此电隔离，并且分布同样地包括第一区域910、第二区域920和第三区域930。然而，每个参考像素OBP在第一区域910的入射面侧设置有例如包括金属等的遮光部BM。这阻挡入射到第三区域930上的光，使得参考像素OBP可以发出与入射光无关的输出。
来自普通像素NP和参考像素OBP的输出被输入到输出电路Out。输出电路Out根据相邻的参考像素OBP中的正向电流的上升时间，能够更准确地检测出普通像素NP中的正向电流的上升时间的延迟。
根据第一变形例，普通像素NP和参考像素OBP交替布置在像素阵列中。这能够进一步抑制像素阵列中的面内方向的差异的影响。
(第二变形例)
图143是说明普通像素NP和参考像素OBP的平面布置的第二变形例的示意性平面图。图144是沿着图143的B-BB切割面获取的横截面构造的纵断面图。
如图143所示，普通像素NP和参考像素OBP可以设置在像素阵列中的不同平面区域中。具体地，每个参考像素OBP可以设置为平面面积小于每个普通像素NP的平面面积。
例如，普通像素NP和参考像素OBP可以在矩阵阵列的第一方向(图143中的列方向)上连续布置。普通像素NP和参考像素OBP可以在与矩阵阵列的第一方向正交的第二方向(图143中的行方向)上交替布置。在这种情况下，参考像素OBP可以设置为在第二方向(图143中的行方向)上的宽度小于普通像素NP的宽度，以设置为具有比普通像素NP的平面面积小的平面面积。
在这种情况下，如图144所示，彼此相邻的普通像素NP和参考像素OBP通过包括绝缘体的像素隔离层950彼此电隔离，并且分布同样地包括第一区域910、第二区域920(第二区域920N和920B)和第三区域930。此外，每个参考像素OBP还在第一区域910的入射面侧包括包含金属等的遮光部BM。
这里，普通像素NP的第二区域920N和参考像素OBP的第二区域920B设置为具有相同的尺寸。从中提取输出到输出电路Out的第二区域920N和920B的尺寸是决定正向电流的上升时间的主要因素。因此，具有相同尺寸的第二区域920N与920B使普通像素NP和参考像素OBP的正向电流的上升时间的参考能够对准。这使输出电路Out可以根据参考像素OBP中的正向电流的上升时间来检测普通像素NP中的正向电流的上升时间的延迟。
根据第二变形例，在像素阵列中，包括遮光部BM的参考像素OBP的平面面积小于普通像素NP的平面面积。这能够提高像素阵列的开口率。
(第三变形例)
图145是说明普通像素NP和参考像素OBP的平面布置的第三变形例的示意性平面图。图146是沿着图145的C-CC切割面获取的横截面构造的纵断面图。
如图145所示，可以为像素阵列中的多个普通像素NP设置参考像素OBP。例如，可以周期性地针对每三个普通像素NP设置一个参考像素OBP。
在这种情况下，如图146所示，彼此相邻的普通像素NP和参考像素OBP通过包括绝缘体的像素隔离层950彼此电隔离，并且分别包括第一区域910、第二区域920和第三区域930。此外，每个参考像素OBP在第一区域910的入射面侧还包括例如包含金属等的遮光部BM。这阻挡入射到第三区域930上的光，使得参考像素OBP可以发出与入射光无关的输出。
根据第三变形例，能够降低像素阵列中的包括遮光部BM的参考像素OBP相对于普通像素NP的比例。这能够提高像素阵列的开口率。即使在这种情况下，光电探测器900也能够充分抑制像素阵列中面内方向的差异的影响。
(第四变形例)
图147是说明普通像素NP和参考像素OBP的平面布置的第四变形例的示意性平面图。
如图147所示，参考像素OBP可以周期性地设置在像素阵列中，在该像素阵列中普通像素NP以矩阵形式布置。例如，可以周期性地针对八行×八列的像素组设置一个参考像素OBP。
在这种情况下，参考像素OBP与普通像素NP的比例小。因此，期望光电探测器900在操作期间监视来自每个参考像素OBP的正向电流的上升时间。例如，光电探测器900可以根据监视结果来补偿或校正来自参考像素OBP的输出，或可以根据预定标准来发出警报。
根据第四变形例，可以降低像素阵列中的分别包括遮光部BM的参考像素OBP相对于普通像素NP的比例。这可以提高像素阵列的开口率。即使在这种情况下，光电探测器900也可以充分抑制像素阵列中面内方向的差异的影响。
(第五变形例)
图148是说明普通像素NP和参考像素OBP的横截面构造的第五变形例的纵截面图。图149是图示参考像素OBP的开口面积与正向电流上升的延迟时间之间关系的曲线图。
如图148所示，设置在像素阵列中的每个参考像素OBP可以设置为包括面积彼此不同的遮光部BM。遮光部BM设置在光的入射面。例如，遮光部BM1、BM2、BM3、BM4、BM5和BM6可以在多个参考像素OBP1、OBP2、OBP3、OBP4、OBP5和OBP6中设置为面积依次减小。
在这种情况下，如图149所示，能够为光电探测器900创建校准曲线。校准曲线表示由于遮光部BM引起的开口面积变化与正向电流上升的延迟时间之间的关系。因此，光电探测器900能够通过针对每个入射光量创建校准曲线，从而以简单的方式确认在一个入射光子情况下的正向电流上升的延迟时间，或确认用于测量的动态透镜等。
(像素阵列的电路结构)
此外，参照图150至153说明第一至第四电路构造，其中，根据本实施例的光电探测器900被构造为多个像素以矩阵布置的像素阵列。
(第一电路构造)
图150是图示根据本实施例的光电探测器900为像素阵列时的第一电路构造的框图。
如图150所示，普通像素NP和参考像素OBP各自包括光电转换部DPD/PD、驱动电路901、波形检测部902和计数器903。从光电转换部DPD/PD输出的电荷或电流由波形检测部902检测，然后由计数器903测量。此外，驱动电路901根据波形检测部902检测到的电荷或电流来控制光电转换部DPD/PD的驱动。
在垂直控制单元9300和水平控制单元9010的控制下分别读出普通像素NP和参考像素OBP的输出。被读出的输出经过信号处理单元9020的信号处理，然后作为图像输出被输出。如第一电路构造所示，参考像素OBP可以布置在普通像素NP的外边缘部。
(第二电路构造)
图151是图示根据本实施例的光电探测器900为像素阵列时的第二电路构造的框图。
如图151所示，普通像素NP和参考像素OBP各自包括光电转换部DPD/PD、驱动电路901、波形检测部902和计数器903。从光电转换部DPD/PD输出的电荷或电流由波形检测部902检测，然后由计数器903测量。此外，驱动电路901根据波形检测部902检测到的电荷或电流来控制光电转换部DPD/PD的驱动。
在垂直控制单元9300和水平控制单元9010的控制下分别读出普通像素NP和参考像素OBP的输出。被读出的输出经过信号处理单元9020的信号处理，然后作为图像输出被输出。如第二电路构造所示，参考像素OBP可以布置在普通像素NP的像素阵列的内部。
(第三电路构造)
图152是图示根据本实施例的光电探测器900为像素阵列时的第三电路构造的框图。
如图152所示，光电探测器900可以构造为其中普通像素NP和参考像素OBP一一对应的像素阵列。
普通像素NP和参考像素OBP各自包括光电转换部DPD/PD、驱动电路901和波形检测部902。此外，每对普通像素NP和参考像素OBP都包括一个计数器903。计数器903根据普通像素NP和参考像素OBP各自的波形检测部902的检测结果来测量入射光子。
在垂直控制单元9300和水平控制单元9010的控制下，对于每对普通像素NP和参考像素OBP，分别读出普通像素NP和参考像素OBP的输出。被读出的输出经过信号处理单元9020的信号处理，然后作为图像输出被输出。
如第三电路构造所示，普通像素NP和参考像素OBP设置为一一对应。这使光电探测器900能够进一步提高每个普通像素NP的输出的准确度。
(第四电路构造)
图153是图示根据本实施例的光电探测器900为像素阵列时的第四电路构造的框图。
如图153所示，光电探测器900还可以包括光源LD和ToF光源控制单元9500。光电探测器900可以用作ToF传感器。
具体地，ToF光源控制单元9500连接至垂直控制单元9300和信号处理单元9020。ToF光源控制单元9500在ToF操作期间控制光源LD的发光时序。信号处理单元9020可以根据光源LD的发光时序和来自普通像素NP的输出的延迟时间来计算被目标反射的光的飞行时间，并且可以进行ToF输出。这使光电探测器900也能够作为ToF传感器进行操作。
<8.应用例>
下面参照图154至162说明根据上述第一至第七实施例中任一者的光电探测器的应用例。
(堆叠构造例)
上述的光电探测器可以设置为具有图154所示的堆叠结构。具体地，如图154所示，光电探测器可以设置为具有如下结构：堆叠有受光芯片1100和逻辑芯片1200。受光芯片1100接收入射光并进行光电转换。逻辑芯片1200对受光芯片1100的输出进行算术处理。受光芯片1100和逻辑芯片1200这些芯片可以通过TSV(贯穿硅通孔)或所谓的CuCu接合等电连接。
上述的光电探测器能够应用于固态成像元件。使用上述光电探测器的固态成像元件1可以设置为具有图155的A至C中任一者的基板构造。
图155的A图示了这样的示例：固态成像元件1包括一个半导体基板1110和堆叠在半导体基板1110下方的支撑基板1210。
在这种情况下，在上部半导体基板1110中，形成有：像素阵列区域1151，其中布置有多个像素；控制电路1152，控制像素阵列区域1151中的每个像素；逻辑电路1153，包括像素信号的信号处理电路。
控制电路1152包括垂直控制单元、水平控制单元等。逻辑电路1153包括列处理单元和信号处理单元。列处理单元对像素信号进行AD转换处理等。信号处理单元根据从像素阵列区域1151中的每个像素输出的像素信号的比例进行计算距离的距离计算处理以及校准处理等类似的处理。
或者，如图155的B所示，可以构造出这样的固态成像元件1，其中，堆叠有其中形成有像素阵列区域1151和控制电路1152的第一半导体基板1120和其中形成有逻辑电路1153的第二半导体基板1220。应注意，第一半导体基板1120和第二半导体基板1220例如通过贯通孔或铜-铜金属接合电连接。
或者，如图155的C所示，固态成像元件1可以具有其中堆叠第一半导体基板1130和第二半导体基板1230的构造。第一半导体基板1130仅设置有像素阵列区域1151。第二半导体基板1230设置有区域控制电路1154，区域控制电路1154设置有针对每个像素的控制电路和信号处理电路或设置有以多个像素的区域为单位的控制电路和信号处理电路。控制电路控制每个像素。信号处理电路处理像素信号。第一半导体基板1130与第二半导体基板1230例如通过贯通孔或铜-铜金属接合电连接。
与图155的C中的固态成像元件1一样，为每个像素或为每个区域而设置的控制电路和信号处理电路使固态成像元件1对于各个被划分的控制单元设置优化的驱动时序和增益。因此，无论距离或反射率如何，都能够获取优化的距离信息。此外，固态成像元件1也可以通过仅驱动像素阵列区域1151的一部分而不是整个像素阵列区域1151来计算距离信息。这也能够根据操作模式来抑制功耗。
(平面布局)
如图156所示，光电探测器的受光芯片1100可以包括像素阵列区域1151，该像素阵列区域1151包括光接收元件30，光接收元件30具有对应于像素的平面矩阵布置。
如图157所示，逻辑芯片1200可以包括与像素阵列区域1151关联设置的像素电路区域1261。像素电路区域1261设置有用于各像素的具有平面矩阵布置的像素电路1270。像素电路1270控制包括在像素阵列区域1151中的每个像素。每个像素电路1270由设置在像素电路区域1261周围的垂直控制单元1262和水平控制单元1263驱动和控制。从每个像素电路1270读出的像素信号通过信号处理单元1264进行信号处理而作为图像数据被输出到外部。
此外，上述的光电探测器可以设置为具有图158所示的电路构造。
具体地，像素阵列中的每个像素包括例如可以作为DPD操作的光接收元件30，驱动电路1271，波形检测部1272和计数器1273。
从光接收元件30输出的电荷或电流由波形检测部1272检测，然后由计数器1273测量。计数器1273具有例如用于ToF应用的检测“电流上升时间”的功能和用于光子计数应用的检测“电流上升多少次”的功能。此外，驱动电路1271可以根据波形检测部1272检测到的电荷或电流来控制光接收元件30的驱动。
垂直控制单元1262和水平控制单元1263通过控制每个像素而从每个像素中读出输出。被读出的输出经过信号处理单元1264的信号处理，然后作为图像数据被输出。
(成像器件的构造例)
此外，上述的光电探测器可以应用于例如图159所示的固态成像器件1010A。
固态成像器件1010A具有其中传感器板1020和电路板1030垂直堆叠的结构。上述的光电探测器可以用作例如传感器单元1021的光接收器。
传感器板1020包括例如传感器单元1021和行选择单元1025。传感器单元1021包括布置成矩阵的多个传感器1040。每个传感器1040包括例如光电二极管1041、传输晶体管(也称为传输栅极)1042、复位晶体管1043、放大晶体管1044、选择晶体管1045和浮动扩散区域部(FD)1046。行选择单元1025根据从电路板1030侧给出的地址信号以行为单位选择传感器单元1021的每个传感器1040。应注意，虽然这里的行选择单元1025设置到传感器板1020上，但是也可以将行选择单元1025设置到电路板1030上。
电路板1030包括例如信号处理单元1031、存储单元1032、数据处理单元1033、控制单元1034、电流源1035、解码器1036、行解码器1037、接口(IF)单元1038等。此外，设置有用于驱动传感器单元1021的每个传感器1040的传感器驱动单元(未图示)。
信号处理单元1031可以例如以传感器列为单位对并列(列并列)的模拟信号进行预定信号处理。该模拟信号是从传感器单元1021的每个传感器1040针对每个传感器行而读出的。该预定信号处理包括数字化(AD转换)。信号处理单元1031则包括模数转换器(AD转换器)1050，其将从传感器单元1021的每个传感器1040读出到信号线1026的模拟信号数字化。信号处理单元1031将经过AD转换的图像数据(数字数据)传输到存储单元1032。
针对其中传感器1040以矩阵形式布置的传感器单元1021，例如，针对每个传感器行设置行控制线并且针对每个传感器列设置列信号线(垂直信号线)作为信号线1026。
应注意，信号处理单元1031还可包括参考电压产生部1054，其产生用于AD转换器1050的AD转换的参考电压。参考电压产生部1054包括例如DA转换器(数模转换器)，但不限于此。
AD转换器1050包括例如比较器(comparator)1051和计数器部1052。比较器1051使用通过信号线1026从传感器单元1021的每个传感器1040读出的模拟信号作为比较输入并且使用从参考电压产生部1054提供的参考电压作为参考输入，从而比较这两个输入。
例如，使用递增/递减计数器作为计数器部1052。时钟CK在与向比较器1051提供参考电压的开始时刻相同的时刻提供给计数器部1052。计数器部1052是递增/递减计数器，与时钟CK同步进行递减计数或递增计数，以测量比较器1051的输出脉冲的脉宽周期(即，从开始比较操作到结束比较操作的比较周期)。然后，计数器部1052的计数结果(计数值)是通过将模拟信号数字化而获得的数字值(图像数据)。
数据锁存单元1055锁存由AD转换器1050数字化的图像数据。存储单元1032存储经过信号处理单元1031的预定信号处理的图像数据。数据处理单元1033按照预定顺序读出存储在存储单元1032中的各图像数据，对图像数据进行各种处理，并通过接口(IF)1038将图像数据输出到芯片外部。
控制单元1034例如根据从芯片外部提供的水平同步信号XHS、垂直同步信号XVS和诸如主时钟MCK等参考信号控制传感器驱动单元(未图示)和诸如存储单元1032、数据处理单元1033等信号处理单元1031的每个操作。控制单元1034在将传感器板1020侧的电路(诸如，行选择单元1025和传感器单元1021)与电路板1030侧的信号处理单元1031(诸如，存储单元1032和数据处理单元1033)同步的同时进行控制。
各条信号线1026连接至电流源1035。例如从传感器单元1021的每个传感器1040通过对应的信号线1026以传感器列为单位读出模拟信号。电流源1035具有包括MOS晶体管的负载MOS电路构造，该MOS晶体管的栅极电势被偏压为恒定电势，例如以向信号线1026提供预定电流。包括这种负载MOS电路的电流源1035将恒定电流提供给被包括在所选行中的每个传感器1040的放大晶体管1044，以使放大晶体管1044作为源极跟随器操作。
在基于控制单元1034的控制以行为单位选择传感器单元1021的每个传感器1040的情况下，解码器1036将用于指定所选择的行的地址的地址信号提供给行选择单元1025。行解码器1037根据控制单元1034的控制指定行地址，该行地址用于将图像数据写入存储单元1032或用于从存储单元1032读出图像数据。
传感器板1020和电路板1030通过诸如贯穿半导体基板的TSV(贯穿硅通孔)等连接部来电连接。对于使用TSV的连接，例如，可以使用所谓的双TSV系统，其中两个TSV，即设置于传感器板1020的TSV和从传感器板1020设置到电路板1030的TSV与在芯片的面向外部的正面连接；所谓的共享TSV系统，其中传感器板1020和电路板1030通过从传感器板1020延伸到电路板1030的TSV彼此连接；或类似的TSV系统。
此外，传感器板1020和电路板1030例如通过诸如所谓的金属接合等连接部来电连接，在该金属接合中，形成在传感器板1020和电路板1030各自的接合面上的电极焊盘接合在一起。电极焊盘则通过使用诸如铜等金属而形成，也称为Cu-Cu接合。此外，传感器板1020和电路板1030之间的连接部也可以使用凸块接合等。
应用上述光电探测器的固态成像器件可以具有例如图160A和160B分别图示的横截面结构。图160A是有效像素的横截面构造例，图160B是遮光像素的横截面构造例。
如图160A和160B所示，应用光电探测器的固态成像器件1300设置为具有这样的堆叠结构，其中堆叠有下部基板1320和上部基板1310。下部基板1320和上部基板1310通过CuCu接合部1370电连接，CuCu接合部1370包括金属电极彼此接合的连接结构。
下部基板1320包括电路部1380，该电路部1380包括诸如信号读出电路和信号处理电路等逻辑电路以及存储电路。
上部基板1310包括布线部1360、像素部1350、背面电极部1340和光入射部1330。上部基板1310是通过从与下部基板1320堆叠的表面侧依次堆叠布线部1360、像素部1350、背面电极部1340和光入射部1330而设置的。
布线部1360包括布线层1361和层间绝缘膜1362。布线部1360通过CuCu接合部1370将来自被包括在像素部1350中的每个像素的输出传输到电路部1380。
像素部1350包括第一导电类型(N+)的第一区域1351、第二导电类型(P+)的第二区域1352、第三导电类型(i)的第三区域1353以及将像素电隔离的像素隔离层1355。像素部1350将入射在固态成像器件1300上的光转换成信号并将该信号输出到布线部1360。
背面电极部1340包括电连接至第一区域1351的第一电极1342和绝缘膜1341，第一电极1342埋入绝缘膜1341中并且被其平坦化。在图160A所示的有效像素中，第一电极1342设置为具有针对像素的光入射面的开口。与此相比，在图160B所示的遮光像素(光学黑像素，对应于上述的参考像素OBP)中，第一电极1342设置为覆盖像素的光入射面，以阻挡光入射到像素上。
光入射部1330包括滤色器1332和片上透镜1331。滤色器1332针对每个像素控制入射在像素部1350上的光的波长带。片上透镜1331将入射光收集在像素的中心。
应注意，取决于固态成像器件1300的应用(诸如ToF或传感等)，可以任意选择是否设置滤色器1332和片上透镜1331。
此外，电路部1380中包括的一部分电路可以设置到上部基板1310。或者，电路部1380中包括的所有电路可以与像素部1350设置到同一基板。在这种情况下，电路部1380设置在布置有像素部1350的像素区域的周边区域中。
(距离图像传感器的构造例)
图161是图示作为使用利用上述光电探测器的传感器芯片的电子装置的距离图像传感器的构造例的框图。
如图161所示，距离图像传感器2201包括光学系统2202、传感器芯片2203、图像处理电路2204、监视器2205和存储器2206。此时，在光源器件2211将光投射到被摄体上后，距离图像传感器2201接收从被摄体的正面反射的光(调制光或脉冲光)。这使距离图像传感器2201可以获取与相距被摄体的距离对应的距离图像。
光学系统2202包括一个或多个透镜。光学系统2202将来自被摄体的图像光(入射光)引导至传感器芯片2203，以在传感器芯片2203的光接收面(传感器单元)上形成图像。
作为传感器芯片2203，可以应用上述的光电探测器。距离信号和发光时序信号被提供给图像处理电路2204。距离信号是根据从传感器芯片2203输出的光接收信号而获得的，并且表示距离。发光时序信号是从光源器件2211输出的。
图像处理电路2204根据从光源器件2211提供的发光时刻信号和从传感器芯片2203提供的距离信号进行用于构建距离图像的图像处理。通过所述图像处理而获得的距离图像(图像数据)被提供给监视器2205并被显示在监视器2205上，或被提供给存储器2206并被存储(记录)在存储器2206中。
上述的光电探测器应用于以这种方式构造的距离图像传感器2201，能够例如随着DPD像素的特性得以改善而获得更精确的距离图像。
(测距模块的构造例)
图162是图示通过使用光电探测器输出测距信息的测距模块的构造例的框图。
测距模块1000包括发光单元1011、发光控制单元1012和光接收单元1013。
发光单元1011包括发出具有预定波长的光的光源。发光单元1011发出其亮度周期性变化的照射光，并使用该照射光照射对象。例如，发光单元1011包括作为光源的发光二极管。发光二极管发出波长在780nm至1000nm范围内的红外光。发光单元1011与从发光控制单元1012提供的矩形波的发光控制信号CLKp同步地发出照射光。
应注意，发光控制信号CLKp不限于矩形波，只要发光控制信号CLKp是周期信号即可。例如，发光控制信号CLKp可以是正弦波。
发光控制单元1012向发光单元1011和光接收单元1013提供发光控制信号CLKp，并控制照射光的照射时刻。发光控制信号CLKp的频率例如是20兆赫兹(MHz)。应注意，发光控制信号CLKp的频率不限于20兆赫兹(MHz)，而可以是5兆赫兹(MHz)等。
光接收单元1013接收从对象反射的反射光，根据光接收结果计算每个像素的距离信息，生成深度图像(其中每个像素的灰度值表示到对象的距离)，并输出深度图像。
上述的光电探测器用于光接收单元1013。用作光接收单元1013的固态成像元件例如基于发光控制信号CLKp根据像素阵列单元的每个像素检测到的信号强度来计算每个像素的距离信息。
如上所述，可以装入上述的光电探测器作为测距模块1000的光接收单元1013，其通过例如间接ToF方法获得并输出关于到被摄体的距离的距离信息。采用上述的光电探测器作为测距模块1000的光接收单元1013。这能够提高测距模块1000的测距特性。
如上所述，上述的光电探测器包括测距模块，从而能够提高测距特性。
<9.附录>
上面已经说明了这样的示例，其中，电子用作光电探测器中的主信号载体，但是空穴也可以用作信号载体。
这里，图163A图示了电子用作信号载体时的光电探测器10的构造，而图163B图示了空穴用作信号载体时的光电探测器10A的构造。
如图163A所示，光电探测器10包括例如：N+型第一区域11，P+型第二区域12，i型第三区域13，电连接至第一区域11的第一电极21，隔离像素的像素隔离层15，电连接至第二区域12的第二电极22，以及控制第三区域13的电势的控制栅极25和栅极绝缘膜26。
在图163A所示的光电探测器10中，设置用于检测信号载体的第二区域12被构造为P+型半导体区域，且设置用于在基板中产生电场的第一区域11被构造为N+半导体区域。这使光电探测器10可以检测作为第二区域12中的信号载体的电子。
与此相比，如图163B所示，光电探测器10A包括例如：P+型第一区域11A，N+型第二区域12A，i型第三区域13，电连接至第一区域11的第一电极21，隔离像素的像素隔离层15，电连接至第二区域12的第二电极22，以及控制第三区域13中的电势的控制栅极25和栅极绝缘膜26。
在图163B所示的光电探测器10A中，设置用于检测信号载体的第二区域12A被构造为N+型半导体区域，且设置用于在基板中产生电场的第一区域11A被构造为P+半导体区域。这使光电探测器10A可以检测作为第二区域12A中的信号载体的空穴。
根据本发明的技术涉及可用于成像和传感的诸如图像传感器等半导体器件。具体地，根据本发明的技术涉及可以进行诸如光子计数和ToF(飞行时间)等操作的光电探测器。
根据本发明的光电探测器被构造为背照式CMOS图像传感器。这可以减少光入射面侧的布线并增大光接收单元的开口率。这提高了光电探测器的传感器的灵敏度。
应注意，根据本发明的技术还可以适当地组合上述的实施例。此外，例如，取决于诸如像素的灵敏度或传感器的操作模式等哪一特性优先，可以适当地选择各种技术特征，诸如：在像素中设置多少电荷检测部(诸如第一区域或第二区域等)和电压施加部(诸如阴极电极或阳极电极)；在像素中的什么位置布置电荷检测部(诸如第一区域或第二区域等)和电压施加部(诸如阴极电极或阳极电极)；电荷检测部具有什么形状；电荷检测部布置在什么位置；阳极电极、阴极电极、像素晶体管、逻辑电路部和存储电路部中的一部分或全部是否被构建为由多个像素共用；是否设置片上透镜和滤色器；是否设置像素间遮光部；是否设置隔离区域；像素间遮光部或隔离区域具有什么形状；像素间遮光部或隔离区域设置得多深；片上透镜和基板具有什么样的厚度；设置什么类型的基板；基板具有什么样的膜设计；是否将任何偏压施加到入射面；以及是否设置反射构件。
以上已经参照第一至第七实施例和变型例说明了根据本发明的技术。然而，根据本发明的技术不限于上述的实施例等，而是可以进行各种变型。
此外，作为根据本发明的部件和操作，不是各实施例中说明的所有部件和操作都是必不可少的。例如，在根据各实施例的部件中，未在对本发明的最通用的概念进行记载的独立权利要求中说明的部件应当理解为可选的部件。
贯穿本说明书和所附权利要求书使用的术语应被解释为“非限制性”术语。例如，术语“包括”或“被包括”应被解释为“不限于被说明为被包括的内容”。术语“具有”应被解释为“不限于被说明为具有的内容”。
在此使用的术语仅为了方便说明，并且包括不是为了限制构造和操作目的的术语。例如，诸如“右”、“左”、“上”和“下”等术语仅表示参照图纸上的方向。此外，术语“内部”和“外部”分别仅表示朝向感兴趣部件的中心的方向和远离感兴趣部件的中心的方向。这同样适用于与这些相似的术语和具有相似目的的术语。
应注意，根据本发明的技术可以具有以下构造。具有以下构造的根据本发明的技术可以使从半导体基板的第二表面沿半导体基板的厚度方向延伸的第一电极在底面电连接至第一区域，并且使第二电极从半导体基板的第二表面侧电连接至第二区域。这使根据本实施例的光电探测器能够增大光入射面侧的开口率。因此，可以提高入射光的检测特性。根据本发明的技术产生的效果不一定限于这里说明的效果，而是可以包括本发明中说明的任何效果。
(1)
一种光电探测器，包括：
设置于半导体基板的多个光电转换部，其中，
每个所述光电转换部包括
第一导电类型的第一区域，设置在所述半导体基板的第一表面所在侧，
第二导电类型的第二区域，设置在所述半导体基板的与所述第一表面相对的第二表面所在侧，
第三导电类型的第三区域，设置在所述半导体基板的位于所述第一区域与所述第二区域之间的区域中，所述第三区域吸收入射光，
第一电极，从所述第二表面沿所述半导体基板的厚度方向延伸，所述第一电极在底面电连接至所述第一区域，
像素隔离层，具有绝缘性，所述像素隔离层设置于所述第一电极的侧面，以及
第二电极，从所述第二表面所在侧电连接至所述第二区域。
(2)
根据(1)所述的光电探测器，还包括：
上部第一电极，从所述第一电极的底面延伸至所述第一表面，所述上部第一电极的宽度小于所述第一电极的宽度；和
具有绝缘性的上部像素隔离层，所述上部像素隔离层设置于所述上部第一电极的侧面。
(3)
根据(1)或(2)所述的光电探测器，其中，所述第一电极和所述像素隔离层设置在相邻的所述光电转换部之间。
(4)
根据(3)所述的光电探测器，其中，所述第一电极在所述底面电连接至各个相邻的所述光电转换部的所述第一区域。
(5)
根据(1)至(4)中任一项所述的光电探测器，其中，所述第一电极从所述第二表面的形成深度大于所述第二区域从所述第二表面的形成深度。
(6)
根据(1)至(5)中任一项所述的光电探测器，还包括栅极电极，所述栅极电极隔着栅极绝缘膜设置在所述半导体基板的所述第二表面。
(7)
根据(6)所述的光电探测器，其中，所述栅极电极包括垂直栅极电极，所述垂直栅极电极是通过在所述厚度方向上挖掘所述半导体基板而设置的。
(8)
根据(1)至(7)中任一项所述的光电探测器，还包括所述第一导电类型的电势控制区域，所述电势控制区域设置在所述半导体基板的所述第二表面所在侧，所述第二区域和绝缘层设置在所述电势控制区域之间，所述电势控制区域被构造用于控制电势。
(9)
根据(1)至(8)中任一项所述的光电探测器，其中，不同的所述光电转换部的所述第一区域和所述第二区域在所述半导体基板的厚度方向上的形成深度是彼此不同的。
(10)
根据(1)至(9)中任一项所述的光电探测器，还包括多层布线层，所述多层布线层堆叠在所述半导体基板的所述第二表面上。
(11)
根据(10)所述的光电探测器，其中，所述多层布线层包括遮光结构，所述遮光结构在所述半导体基板的面内方向上延伸。
(12)
根据(1)至(11)中任一项所述的光电探测器，还包括凹凸结构，所述凹凸结构设置于所述半导体基板的所述第一表面并且散射或衍射所述入射光。
(13)
根据(1)至(12)中任一项所述的光电探测器，还包括：
所述第二导电类型的浮动扩散区域，设置在所述半导体基板的所述第二表面所在侧；和
传输栅极晶体管，设置在所述第二区域与所述浮动扩散区域之间，所述传输栅极晶体管控制电荷从所述第二区域到所述浮动扩散区域的传输。
(14)
根据(13)所述的光电探测器，还包括：
所述第二导电类型的溢流漏极区域，隔着所述第二区域设置在与所述浮动扩散区域相反的一侧；和
溢流栅极晶体管，设置在所述第二区域与所述溢流漏极区域之间，所述溢流栅极晶体管控制电荷从所述第二区域到所述溢流漏极区域的传输。
(15)
根据(1)至(14)中任一项所述的光电探测器，还包括钉扎层，所述钉扎层设置在所述半导体基板与绝缘材料之间的界面处，其中
所述钉扎层包括具有静电特性的层或所述第二导电类型的层。
(16)
根据(1)至(15)中任一项所述的光电探测器，还包括：
所述第一导电类型的第四区域，设置为比所述第二区域更接近所述第一表面所在侧，所述第四区域设置为与所述第二区域接触；和
绝缘层，所述绝缘层在所述半导体基板的面内方向上围绕所述第二区域和所述第四区域之间的接合面。
(17)
根据(1)至(15)中任一项所述的光电探测器，还包括：
所述第一导电类型的第四区域，设置为比所述第二区域更接近所述第一表面所在侧，所述第四区域设置为与所述第二区域接触；和
所述第二导电类型的第五区域，设置为比所述第一区域更接近所述第二表面所在侧，所述第五区域设置为与所述第一区域接触。
(18)
根据(1)至(17)中任一项所述的光电探测器，其中，所述多个光电转换部包括参考像素的光电转换部和普通像素的光电转换部，所述参考像素在所述入射光的入射面上设置有遮光部，所述普通像素未设置有所述遮光部。
(19)
根据(18)所述的光电探测器，其中，所述参考像素设置为与所述普通像素相邻。
(20)
根据(1)至(19)中任一项所述的光电探测器，其中，所述第一电极是阴极电极，且所述第二电极是阳极电极。
(30)
一种光电探测器，包括
多个光电转换部，设置于半导体基板，其中
每个光电转换部包括
第一导电类型的第一区域，设置在所述半导体基板的第一表面所在侧，
第二导电类型的第二区域，设置在所述半导体基板的与所述第一表面相反的第二表面所在侧，
第三导电类型的第三区域，设置在所述半导体基板的位于所述第一区域与所述第二区域之间的区域中，所述第三区域吸收入射光，
第三电极和第四电极，分别从所述第二表面沿所述半导体基板的厚度方向延伸，
多个贯通绝缘层，分别从所述第三电极和所述第四电极的底面延伸至所述第一表面，所述多个贯通绝缘层的宽度小于所述第三电极和所述第四电极的宽度，
具有绝缘性的像素隔离层，所述像素隔离层分别设置到所述第三电极和所述第四电极的侧面，
所述第二导电类型的电势控制区域，电连接至所述第三电极的从所述贯通绝缘层露出的底面，
所述第一导电类型的复位区域，电连接至所述第四电极的从所述贯通绝缘层露出的底面，
第一电极，从所述第一表面所在侧电连接至所述第一区域，和
第二电极，从所述第二表面所在侧电连接至所述第二区域。
(31)
一种光电探测器，包括
多个光电转换部，设置于半导体基板，其中
每个光电转换部包括
第一导电类型的第一区域，设置于所述半导体基板，所述第一区域电连接至第一电极，
第二导电类型的第二区域，设置于所述半导体基板且与所述第一区域隔离，所述第二区域电连接至第二电极，
所述第一导电类型的第四区域，设置为在所述半导体基板的深度方向上与所述第二区域接触，
绝缘层，在所述半导体基板的面内方向上围绕所述第二区域和所述第四区域之间的接合面，和
设置于所述半导体基板的第三导电类型的第三区域，所述第三区域吸收入射光。
(32)
一种光电探测器，包括
多个光电转换部，设置于半导体基板，其中
每个光电转换部包括
第一导电类型的第一区域，设置于所述半导体基板，所述第一区域电连接至第一电极，
第二导电类型的第二区域，设置于所述半导体基板且与所述第一区域隔离，所述第二区域电连接至第二电极，
所述第二导电类型的第五区域，设置在所述第一区域的设置有所述第二区域的一侧，所述第五区域设置为与所述第一区域接触，
所述第一导电类型的第四区域，设置在所述第二区域的设置有所述第一区域的一侧，所述第四区域设置为与所述第二区域接触，和
第三导电类型第三区域，设置在所述半导体基板的所述第四区域和所述第五区域之间的区域中，所述第三区域吸收入射光。
(33)
一种光电探测器，包括
多个光电转换部，设置于半导体基板，其中
每个光电转换部包括
第一导电类型的第一区域，设置于所述半导体基板，所述第一区域电连接至第一电极，
第二导电类型的第二区域，设置于所述半导体基板且与所述第一区域隔离，所述第二区域电连接至第二电极，
第三导电类型的第三区域，设置在所述半导体基板的所述第一区域和所述第二区域之间的区域中，所述第三区域吸收入射光，和
钉扎层，设置在所述半导体基板的与所述第三区域对应的正表面与绝缘材料之间的界面处，所述绝缘材料是具有静电特性的层或所述第二导电类型的层。
(34)
一种光电探测器，包括
多个光电转换部，设置于半导体基板，其中
每个光电转换部包括
第一导电类型的第一区域，设置在所述半导体基板的第一表面所在侧，所述第一区域电连接至第一电极，
第二导电类型的第二区域，设置在所述半导体基板的与所述第一表面相反的第二表面所在侧，所述第二区域电连接至第二电极，
第三导电类型的第三区域，设置在所述半导体基板的所述第一区域和所述第二区域之间的区域中，所述第三区域吸收入射光，
所述第二导电类型的浮动扩散区域，设置在所述半导体基板的所述第二表面所在侧，和
传输栅极晶体管，设置在所述第二区域和所述浮动扩散区域之间，所述传输栅极晶体管控制电荷从所述第二区域到所述浮动扩散区域的传输。
(35)
一种光电探测器，包括多个光电转换部，
每个所述光电转换部包括
第一导电类型的第一区域，设置于半导体基板，所述第一区域电连接至第一电极，
第二导电类型的第二区域，设置于所述半导体基板且与所述第一区域隔离，所述第二区域电连接至第二电极，和
第三导电类型的第三区域，设置在所述半导体基板的所述第一区域和所述第二区域之间的区域中，所述第三区域吸收入射光，其中
所述多个光电转换部包括参考像素的光电转换部和普通像素的光电转换部，所述参考像素在所述入射光的入射面上设置有遮光部，所述普通像素未设置有所述遮光部，并且
所述参考像素设置为与所述普通像素相邻。
本申请主张享有于2019年7月12日向美国专利商标局提交的申请号为62/873527的美国临时专利申请，于2019年7月30日向美国专利商标局提交的申请号为62/880214的美国临时专利申请，以及于2019年7月30日向美国专利商标局提交的申请号为62/880497的美国临时专利申请的优先权，并将这些申请的全部内容通过引用的方式并入本文。
本领域普通技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可以做出各种变型、组合、次组合和变化，只要它们都在所附权利要求及其等同物中。

Claims (20)

1.一种光电探测器，包括：
设置于半导体基板的多个光电转换部，其中，
各所述光电转换部包括
第一导电类型的第一区域，设置在所述半导体基板的第一表面所在侧，
第二导电类型的第二区域，设置在所述半导体基板的与所述第一表面相对的第二表面所在侧，
第三导电类型的第三区域，设置在所述半导体基板的位于所述第一区域与所述第二区域之间的区域中，所述第三区域吸收入射光，
第一电极，从所述第二表面沿所述半导体基板的厚度方向延伸，所述第一电极在底面电连接至所述第一区域，
像素隔离层，具有绝缘性，所述像素隔离层设置于所述第一电极的侧面，以及
第二电极，从所述第二表面所在侧电连接至所述第二区域。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，还包括：
上部第一电极，从所述第一电极的底面延伸至所述第一表面，所述上部第一电极的宽度小于所述第一电极的宽度；和
具有绝缘性的上部像素隔离层，所述上部像素隔离层设置于所述上部第一电极的侧面。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，所述第一电极和所述像素隔离层设置在相邻的所述光电转换部之间。
4.根据权利要求3所述的光电探测器，其中，所述第一电极在所述底面电连接至各个相邻的所述光电转换部的所述第一区域。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，所述第一电极从所述第二表面的形成深度大于所述第二区域从所述第二表面的形成深度。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，还包括栅极电极，所述栅极电极隔着栅极绝缘膜设置在所述半导体基板的所述第二表面。
7.根据权利要求6所述的光电探测器，其中，所述栅极电极包括垂直栅极电极，所述垂直栅极电极是通过在所述厚度方向上挖掘所述半导体基板而设置的。
8.根据权利要求1所述的光电探测器，还包括所述第一导电类型的电势控制区域，所述电势控制区域设置在所述半导体基板的所述第二表面所在侧，所述第二区域和绝缘层设置在所述电势控制区域之间，所述电势控制区域被构造用于控制电势。
9.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，不同的所述光电转换部的所述第一区域和所述第二区域在所述半导体基板的厚度方向上的形成深度是彼此不同的。
10.根据权利要求1所述的光电探测器，还包括多层布线层，所述多层布线层堆叠在所述半导体基板的所述第二表面上。
11.根据权利要求10所述的光电探测器，其中，所述多层布线层包括遮光结构，所述遮光结构在所述半导体基板的面内方向上延伸。
12.根据权利要求1所述的光电探测器，还包括凹凸结构，所述凹凸结构设置于所述半导体基板的所述第一表面并且散射或衍射所述入射光。
13.根据权利要求1所述的光电探测器，还包括：
所述第二导电类型的浮动扩散区域，设置在所述半导体基板的所述第二表面所在侧；和
传输栅极晶体管，设置在所述第二区域与所述浮动扩散区域之间，所述传输栅极晶体管控制电荷从所述第二区域到所述浮动扩散区域的传输。
14.根据权利要求13所述的光电探测器，还包括：
所述第二导电类型的溢流漏极区域，隔着所述第二区域设置在与所述浮动扩散区域相反的一侧；和
溢流栅极晶体管，设置在所述第二区域与所述溢流漏极区域之间，所述溢流栅极晶体管控制电荷从所述第二区域到所述溢流漏极区域的传输。
15.根据权利要求1所述的光电探测器，还包括钉扎层，所述钉扎层设置在所述半导体基板与绝缘材料之间的界面处，其中
所述钉扎层包括具有静电特性的层或所述第二导电类型的层。
16.根据权利要求1所述的光电探测器，还包括：
所述第一导电类型的第四区域，设置为比所述第二区域更接近所述第一表面所在侧，所述第四区域设置为与所述第二区域接触；和
绝缘层，所述绝缘层在所述半导体基板的面内方向上围绕所述第二区域和所述第四区域之间的接合面。
17.根据权利要求1所述的光电探测器，还包括：
所述第一导电类型的第四区域，设置为比所述第二区域更接近所述第一表面所在侧，所述第四区域设置为与所述第二区域接触；和
所述第二导电类型的第五区域，设置为比所述第一区域更接近所述第二表面所在侧，所述第五区域设置为与所述第一区域接触。
18.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，所述多个光电转换部包括参考像素的光电转换部和普通像素的光电转换部，所述参考像素在所述入射光的入射面上设置有遮光部，所述普通像素未设置有所述遮光部。
19.根据权利要求18所述的光电探测器，其中，所述参考像素设置为与所述普通像素相邻。
20.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，所述第一电极是阴极电极，且所述第二电极是阳极电极。
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