CN115398627A - 光检测器及电子装置 - Google Patents

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Abstract

在本发明中，提高可对近红外光的灵敏度并且抑制定时抖动特性的劣化。一种光检测器包括：像素区域，其中，各自具有光电转换器的多个像素以矩阵布置，每个光电转换器包括：第一半导体单元，由分离部划分；第二半导体单元，设置为靠近位于第一半导体单元的相互面对侧的第一面和第二面中的第一面，第二半导体单元包含锗；光吸收单元，设置到所述第二半导体部分，光吸收单元吸收入射到所述第二半导体单元的光并产生载流体；以及倍增单元，设置于第一半导体单元，倍增单元执行由光吸收单元生成的载流子的雪崩倍增。

Description

光检测器及电子装置
技术领域
本技术(根据本公开的技术)涉及光电检测器和电子装置，并且具体地，涉及在应用于包括雪崩光电二极管(APD)的光电检测器和电子装置中有效的技术。
背景技术
近年来，通过飞行时间(ToF)方法测量距离的距离图像传感器作为光检测器已经引起关注。距离图像传感器包括具有以矩阵布置的多个像素的像素阵列单元。此外，整个器件的效率由像素的尺寸和像素结构决定。
专利文献1公开了包括光电转换器的像素，该光电转换器包括APD元件作为光电转换元件。光电转换器包括光吸收器和倍增器，光吸收器吸收进入半导体层的光并且生成载流子，倍增器雪崩倍增由光吸收器生成的载流子。
现有技术文献
专利文献1：日本专利申请公开号2018-088488
发明内容
本发明要解决的问题
同时，为了提高光电转换器(APD元件)对近红外光的灵敏度，增加其中形成雪崩区域的半导体层的厚度是有效的。然而，半导体层的厚度的增加导致作为ToF重要的定时抖动(Timing Jitter)特性的劣化。
本技术的目的是提供能够改善对近红外光的灵敏度并且抑制定时抖动特性的劣化的光电检测器，以及包括该光电检测器的电子设备。
解决问题的方法
根据本技术的一个方面的光电检测器包括：
像素区域，在所述像素区域中，各自具有光电转换器的多个像素以矩阵布置，其中，所述光电转换器包括：第一半导体部，由分离部划分；第二半导体部，设置在所述第一半导体部的第一面侧，第一面与第一半导体部的第二面相对，第二半导体部包含锗；光吸收器，设置于第二半导体部，所述光吸收器被配置为吸收进入第二半导体部的光以产生载流子；以及
倍增器，设置于第一半导体部，所述倍增器被配置为对由所述光吸收器生成的载流子进行雪崩倍增。
根据本技术的另一方面的电子设备包括：光电检测器，包括：像素区域，在像素区域中，各自具有光电转换器的多个像素以矩阵布置，其中，光电转换器包括：第一半导体部，由分离部划分；第二半导体部，设置在第一半导体部的第一面侧，第一面与第一半导体部的第二面相对，第二半导体部包含锗；光吸收器，设置于第二半导体部，光吸收器被配置为吸收进入第二半导体部的光以产生载流子；以及倍增器，设置于第一半导体部，倍增器被配置为对由光吸收器生成的载流子进行雪崩倍增；以及光学系统，被配置为利用来自对象的图像光在所述第一半导体部的所述第一面上形成图像。
附图说明
图1是示出根据本技术的第一实施方式的距离图像传感器的示例性配置的芯片布局。
图2是示出根据本技术的第一实施方式的距离图像传感器的示例性配置的框图。
图3是示出了像素的示例性配置的等效电路图。
图4是示出了像素的示例性配置的主要部分的平面图。
图5是示出沿图4中的线II-II截取的截面结构的主要部分截面图。
图6是放大了图5的一部分的主要部分放大截面图。
图7是示出像素区域和周边区域的截面结构的主要部分截面图。
图8是示出根据本技术的第二实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图9是示出根据本技术的第三实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图10是示出根据本技术的第四实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图11是示出根据本技术的第五实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图12是示出根据本技术的第六实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图13A是示出根据本技术的第六实施方式的距离图像传感器的第一变形例的主要部分截面图。
图13B是示出根据本技术的第六实施方式的距离图像传感器的第二变形例的主要部分截面图。
图14是示出了根据本技术的第六实施方式的距离图像传感器的第三变形例的主要部分截面图。
图15是示出根据本技术的第七实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图16是示出根据本技术的第八实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图17是示出根据本技术的第九实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图18是示出根据本技术的第十实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图19是示出根据本技术的第十一实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图20A是示出根据本技术的第十二实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图20B是放大图20A的一部分的主要部分放大截面图。
图21是示出根据本技术的第十三实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图22是示出根据本技术的第十四实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图23是示出根据本技术的第十五实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图24是示出根据本技术的第十六实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图25是示出根据本技术的第十七实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图26是示出了根据本技术的第十八实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图27是示出根据本技术的第十九实施方式的距离图像传感器的像素的示例性配置的主要部分截面图。
图28是示出具有本技术的传感器芯片的距离图像设备的示例性配置的框图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本技术的实施方式。
应注意，在用于描述本技术的实施方式的所有附图中，具有相同功能的部件用相同的参考标号表示，并且将省略其重复描述。
另外，各图是示意性的，与实际不同。此外，以下实施例说明用于实施本发明的技术构思的装置和方法，并且不指定如下配置。即，能够在权利要求书所记载的技术范围内对本发明的技术思想进行各种变更。
此外，在以下实施例中，在空间中彼此正交的三个方向上，在相同平面中彼此正交的第1方向和第2方向被分别定义为X方向和Y方向，并且与第1方向和第2方向中的每个正交的第3方向被定义为Z方向。更进一步地，在以下实施例中，半导体层的厚度方向被描述为Z方向。
[第一实施例]
在实施例1中，将描述本技术应用于距离图像传感器的实例，该距离图像传感器是作为光电检测器的背照式CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器。
<<距离图像传感器的整体配置>>
如图1所示，根据本技术的第一实施方式的距离图像传感器1主要包括在平面图中观看时呈二维平面形状的矩形的传感器芯片2。即，距离图像传感器1安装在传感器芯片2上。传感器芯片2在二维平面中包括布置在中央部分的矩形像素区域2A和布置在像素区域2A外部以围绕像素区域2A的外围区域2B。
像素区域2A是接收由光学系统(未示出)会聚的光的光接收面。此外，在像素区域2A中，多个像素3以矩阵形式排列在包括X方向和Y方向的二维平面中。
多个电极垫4设置在外围区域2B中。多个电极垫4的每一个例如沿传感器芯片2的二维平面中的四个边布置。多个电极垫4是用于将传感器芯片2与外部装置(未示出)电连接的输入/输出端子。
如图2所示，传感器芯片2包括像素区域2A和偏置电压施加单元5。偏置电压施加单元5将偏置电压施加至布置在像素区域2A中的多个像素3中的每一个。
如图3所示，多个像素3中的每个像素3包括例如作为光电转换元件的APD(雪崩光电二极管)元件6；淬灭电阻元件7，包括例如p型MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)；以及包括例如互补MOSFET(互补MOS)的反相器8。
APD元件6的阳极连接到偏置电压施加单元5(见图2)，并且阴极连接到其淬火电阻元件7的源极端子。从偏置电压施加单元5向APD元件6的阳极施加偏置电压VB。APD元件6是能够由于向阴极施加大的负电压而形成雪崩倍增区域(耗尽层)并且使得由于一个光子的入射而产生的电子雪崩倍增的光电转换元件。
淬火电阻元件7与APD元件6串联连接。淬灭电阻元件7的源极端子与APD元件6的阴极连接，其漏极端子与电源(图中未示出)连接。激励电压VE从电源施加到淬火电阻元件7的漏极端子。当由APD元件6雪崩倍增的电子引起的电压达到负电压VBD时，淬火电阻元件7发射由APD元件6倍增的电子，并且执行将电压返回到初始电压的淬灭。
如图3所示，反相器8的输入端子连接至APD元件6的阴极和淬灭电阻元件7的源极端子，并且输出端子连接至后续级的运算处理单元(未示出)。反相器8根据由APD元件6倍增的电子来输出光接收信号。更具体地，反相器8对由于被APD元件6倍增的电子而产生的电压进行整形。然后，反相器8将具有在图3中作为起点的一个光子的到达时间生成的脉冲波形的光接收信号(APD OUT)输出至算术处理单元。例如，基于生成表示每个光接收信号中的一个光子的到达时间的脉冲的定时，运算处理单元执行获得到对象的距离的运算处理以获得每个像素3的距离。然后，基于这些距离，生成其中由多个像素3检测到的到对象的距离被平面布置的距离图像。
<传感器芯片的配置>
如图5所示，传感器芯片2包括彼此面对地层叠的第一半导体基体(传感器侧半导体基体)10和第二半导体基体(逻辑侧半导体基体)40。上述像素区域2A设置在第一半导体基底10上。在第二半导体基体40上设置有偏置电压施加单元5；电极垫4；读取电路，基于从像素区域2A的对应像素3输出的电荷输出每个像素信号；以及逻辑电路，包括例如垂直驱动电路、列信号处理电路、输出电路和水平驱动电路。
如图5所示，第一半导体基体10包括半导体层11和多级布线层(传感器侧多级布线层)31。第一半导体基底10具有在其厚度方向(Z方向)上彼此相对的第一面S1和第二面S2，并且多级布线层31布置在第一面S1侧上。此外，在半导体层11的第二面S2侧上，第一半导体基体10进一步包括从更靠近第二面S2侧依次层叠的遮光膜61、平坦化膜62和微透镜层63。
第二半导体基体40包括具有第一面和第二面的半导体基板41，以及设置在半导体基板41的第一面侧上的多级布线层(逻辑侧多级布线层)51。此外，层叠第一半导体基提10和第二半导体基体40，使得多层布线层31和多层布线层51彼此相对，并且多层布线层31和多层布线层51电连接和机械连接。
<第一半导体基体的构造>
如图4至图6所示，第一半导体基体10的半导体层11包括分离部13和由分离部13划分的第一半导体部14。此外，第二半导体部24在第一半导体部14的彼此相对的第一面和第二面的第一面侧重叠设置在第一半导体部14上。在此，第一半导体部14的第一面与半导体层11的第一面S1是同一面，并且第一半导体部14的第二面与半导体层11的第二面S2是同一面。因此，第一半导体部14的第一面和第二面也可以分别被称为第一面S1和第二面S2。进一步地，第一面S1也可以称为主面，第二面S2也可以称为光入射面或背面。
半导体层11具有通过分离部13在X方向和Y方向上重复布置第一半导体部14的虚线图案。半导体层11可以被定义为半导体散布层，该半导体散布层具有在包括X方向和Y方向的二维平面中通过分离部13散布的多个第一半导体部14的重复布置的虚线图案。此外，半导体层11还可以被定义为通过分离部13划分的第一半导体部14散布在X方向和Y方向上的重复布置的虚线图案的半导体散布层。此外，半导体层11还可以被定义为半导体耦合层，其中，相邻的第一半导体部14通过分离部13耦合。虽然不限于此，例如，可以通过在半导体基板上形成从半导体衬底的彼此相对的第一面和第二面的第一面侧延伸到第二面侧的分离部，然后切割直到分离部在半导体衬底的第二面侧暴露以减小半导体衬底的厚度来形成如上所述的这种半导体层11。第一半导体部14被布置成对应于每个像素3。分离部13从第一半导体部14的第一面S1侧延伸到第二面S2侧。
如图4至图6中示出的，多个第一半导体部14中的第一半导体部14与像素区域2A中的多个像素3中的像素3一一对应地布置。此外，多个第一半导体部14的第一半导体部14均具有平面图案，其中，当在朝向半导体层11的第一面S1的平面图中观看时，平面形状为正方形。
如图4至图6所示，第二半导体部24设置在多个第一半导体部14的每个中。第二半导体部24均具有平面图案，其中，当在朝向第一面S1的平面图中观察时，平面形状为正方形(参照图4)。此外，在平面图中，如上所述的这种第二半导体部24在朝向第一面S1的外部尺寸方面小于第一半导体部14。即，在平面图中，第二半导体部24具有位于第一半导体部14的轮廓14a内侧(分离部13的外侧)的轮廓24a。
如图4所示，与单个像素3对应的分离部13具有环形平面图案，其中，在平面图中平面图案为矩形。并且，尽管在图4中未详细示出，但是与像素区域2A对应的分离部13具有复合平面图案，该复合平面图案在在平面图中平面图案为矩形的环状平面图案中具有网格状平面图案。分离部13将彼此相邻的第一半导体部14和第一半导体部14电和光学分离。
如图6所示，分离部13包括在第一半导体部14的厚度方向(Z方向)上延伸的分离导体13a和覆盖在分离导体13a的任一侧上的侧面的分离绝缘体13b。即，分离部13具有三层结构，其中分离导体13a的两侧在垂直于第一半导体部14的厚度方向的方向上夹在分离绝缘体13b之间。此外，分离部13从第一半导体部14的第一面S1延伸到第二面S2。分离导体13a包括光反射率及导电性优异的金属膜、例如钨(W)膜。如上所述的分离绝缘体13b包括绝缘性优良的绝缘膜，例如氧化硅(SiO2)膜。
如图7所示，在平面图中，遮光膜61设置在像素区域2A中。尽管未详细示出，但是遮光膜61具有网格状平面图案，其中，后面描述的光电转换器29在其光接收表面侧在平面图中的平面图案具有开口，使得来自预定像素3的光不会泄漏到相邻像素3中。遮光膜61不限于此，而是包括例如其中钛(Ti)膜和钨(W)膜从更接近半导体层11的一侧依次层叠的复合膜。Ti膜和W膜具有遮光性和导电性。虽然稍后描述，但是遮光膜61还具有作为中继电极的功能。
(光电转换器的构造)
如图6所示，多个像素3中的每个像素3包括光电转换器29，该光电转换器29包括上述APD元件6。光电转换器29包括倍增器15和光吸收器25，第一半导体部14设置有倍增器15，第二半导体部24设置有光吸收器25。
第一半导体部14包括例如单晶硅(Si)。第二半导体部24包括包含锗(Ge)并且带隙比第一半导体部14窄的材料。例如，在第一实施例中，第二半导体部24包括复合层，其中，包含硅(Si)和锗(Ge)的化合物的本征半导体(i-SiGe)层26和包含Si和Ge的化合物并且具有与第一半导体部14的p型第一半导体区域16相同的导电类型的p型非本征半导体(p-SiGe)层27从第一半导体部14侧依次设置。
光吸收器25主要包括第二半导体部24，并且具有吸收已经从作为第一半导体部14的第二面S2的光入射面侧进入的光以产生电荷(电子)的光电转换功能。然后，由光吸收器25进行的光电转换而生成的电荷由于电位梯度而流入倍增器15。
倍增器15雪崩倍增从光吸收器25流出的电荷。倍增器15包括设置在第一半导体部14的第一面S1侧上的p型第一半导体区域16以及设置在相对于第一半导体部14的第一面S1侧比p型第一半导体区域16的位置更深的位置处的n型第二半导体区域17，并且n型第二半导体区域17和p型第一半导体区域16的底部形成pn结18。然后，在pn结18中形成雪崩倍增区域。雪崩倍增区域是由于大的负电压被施加到n型第二半导体区域17而在pn结18中形成的高电场区域(耗尽层)，并且将入射在光电转换器29(APD元件6)上的一个光子产生的电子(e-)倍增。
在第二半导体部24中，本征半导体层26与第一半导体部14的p-型第一半导体区域16共价键合。本征半导体层26上的非本征半导体层27优选具有与本征半导体层26与其共价键合的第一半导体区域16相同的导电类型。
第二半导体部24的本征半导体层26包括通过例如外延生长方法选择性地形成在第一半导体部14的第一面S1上的外延层。P型非本征半导体层27包括例如通过向本征半导体层26的上部注入硼(B)离子、二氟化硼(BF2)离子等作为P型杂质而形成的P型半导体区域。p型非本征半导体层27可以包括形成在本征半导体层26上的p型外延层，同时通过外延生长方法进一步添加杂质。
在此，Ge的单元素半导体或包含Ge的化合物半导体比Si的单元素半导体带隙更窄并且对近红外光的敏感度更高。因此，包括设置于包含SiGe的化合物的第二半导体部24的光吸收器25和设置于包含Si的第一半导体部14的倍增器15的光电转换器29可以以有效的方式光电转换近红外光。
此外，Ge的单元素半导体或包含Ge的化合物半导体与Si的单元素半导体的亲和力高。因此，包含SiGe化合物的第二半导体部24和包含Si的第一半导体部14可以以容易的方式彼此共价键合。
如图6所示，用于选择性地构成第二半导体部24的选择性绝缘膜21设置在第一半导体部14的第一面S1侧上。在第一实施例中，选择性绝缘膜21是覆盖分离部13和第一半导体部14的相应表面的表面型绝缘膜。作为选择性绝缘膜21，可以使用例如能够通过化学气相沉积(CVD)方法沉积在第一半导体部14的第一面S1侧上的氧化硅(SiO2)膜、氮化硅(SiN)膜或氧化铝(Al2O3)膜等绝缘膜。
除了直接在第二半导体部24下方的第一半导体部14之外，选择性绝缘膜21选择性地设置在第二半导体部24的外部。选择性绝缘膜21具有暴露第一半导体部14的一部分的开口，并且例如通过外延生长方法通过该开口选择性地形成第二半导体部24。即，第二半导体部24是通过外延生长方法通过设置在第一半导体部14上的选择性绝缘膜21中的开口选择性地形成的外延层。因此，第二半导体部24形成为在第一半导体部14的第一面S1侧由于与选择性绝缘膜21的自对准而与第一半导体部14共价键合。
如图4和图6所示，第一半导体部14的p型第一半导体区域16和n型第二半导体区域17中的每一个在第一半导体部14的外周边上与隔离体13的隔离绝缘体13b接触。此外，n型第二半导体区域17通过设置在第一半导体部14的第二面S2侧上的遮光膜61电连接至分离导体13a。
如图6所示，遮光膜61在Z方向上与分离部13重叠。遮光膜61的宽度比分离部13宽，并且还通过分离部13与彼此相邻的两个第一半导体部14中的每一个的外围区域重叠。遮光膜61具有环状平面图案，其中当在朝向第二面S2的平面图中观察时平面图案是矩形的。遮光膜61在环状平面图案的整个圆周上与分离部13的分离导体13a电连接和机械连接，并且通过分离部13与彼此相邻的两个第一半导体部14的各个n型第二半导体区域17中的每一个接触地电连接和机械连接。
遮光膜61中继第一半导体部14的n型第二半导体区域17与分离部13的分离导体13a之间的电连接。然后，如上所述，遮光膜61抑制进入预定像素3的光泄漏到相邻像素3中。因此，遮光膜61既具有作为中继电极的功能又具有阻光功能。
注意，虽然未示出，但是在n型第二半导体区域17中，出于减小与遮光膜61的欧姆接触电阻的目的，在连接中继电极61的部分设置包括杂质浓度高于n型第二半导体区域17的半导体区域的接触区。
(多层布线层的配置)
如图6所示，第一半导体基体10的多级布线层31具有两层布线结构，其中布线层以例如两级的方式层叠，层间绝缘膜32介于其间。第一金属布线35a和第二金属布线35b设置在从半导体层11侧算起的作为第一层的布线层中。金属焊盘37a和37b设置在从半导体层11侧算起的作为第二层的布线层中。此外，接触电极34a和34b被嵌入第一布线层与半导体层11之间的层间绝缘膜32中。此外，接触电极36a和36b被嵌入在第一布线层和第二布线层之间的层间绝缘膜32中。
接触电极34a电连接第二半导体部24的p型非本征半导体层27和第一金属布线35a。接触电极34b将分离部13的隔离导体13a和第二金属布线35b电连接。接触电极36a电连接第一金属布线35a和金属焊盘37a。接触电极36b电连接第二金属布线35b和金属焊盘37b。金属焊盘37a和金属焊盘37b通过金属与金属键合分别电连接和机械连接至设置在稍后将描述的第二半导体基体40的多层布线层51中的金属焊盘57a和金属焊盘57b。
<第二半导体基体的构造>
如图6所示，在第二半导体基体40的半导体基板41上，例如设置有作为包括在诸如偏置电压施加单元5、读取电路和逻辑电路的电路中的场效应晶体管的多个MOSFETs。图5和图6示出了多个MOSFETs的相应栅极电极42。作为半导体基板41，例如，使用包括单晶硅的半导体基板。
(多层布线层的配置)
如图6所示，第二半导体基体40的多层布线层51具有七层布线结构，其中布线层通过层间绝缘膜52以例如七级层叠。布线53设置在从半导体基板41侧算起的作为第一至第五布线层的各布线层中。第一至第五布线层的各个布线53通过嵌入在层间绝缘膜52中的接触电极相互电连接。此外，第一布线层的布线53通过嵌入在层间绝缘膜52中的接触电极电连接至半导体基板的MOSFET。例如，图6示出了第一布线层的布线53通过接触电极电连接至MOSFET的栅电极42的配置。
电极焊盘55a、55b设置在从半导体基板41侧算起的作为第六布线层的布线层中。金属焊盘57a和57b设置在从半导体基板41侧算起的作为第七布线层的布线层中。另外，在第六布线层和第七布线层之间的层间绝缘膜52中设有接触电极56a、56b。接触电极56a电连接电极焊盘55a和金属焊盘57a。接触电极56b将电极焊盘55b与金属焊盘57b电连接。电极焊盘55a、55b分别与下部布线层的布线53电连接。金属焊盘57a接合至第一半导体基体10侧上的金属焊盘37a，并且金属焊盘57b接合至第一半导体基体10侧上的金属焊盘37b。
(导电路径的配置)
如图6所示，在第二半导体基体40中，电极焊盘55a通过每个布线层的布线53和每个层间绝缘膜52的接触电极电连接到半导体衬底41的MOSFET，并且电连接到接触电极56a和金属焊盘57a。此外，在第一半导体基体10中，金属焊盘37a通过接触电极36a、第一金属布线35a和接触电极34a电连接至第二半导体部24的p型非本征半导体层27。此外，第二半导体基体40的金属焊盘57a电气地且机械地连接至第一半导体基体10的金属焊盘37a。
因此，像素3可以从包括在第二半导体基体40中的偏置电压施加单元5向包括在第一半导体基体10中的第二半导体部24(光吸收器25)提供偏置电压VB。
此外，如图6所示，在第二半导体基体40中，电极焊盘55b通过每个布线层的布线53和每个层间绝缘膜52的接触电极电连接到半导体基板41的MOSFETs，并且电连接到接触电极56b和金属焊盘57b。此外，在第一半导体基体10中，金属焊盘37b通过接触电极36b、第二金属布线35b、接触电极34b、分离部13的隔离导体13a、以及中继电极61电连接至第一半导体部14的n型第二半导体区域17。
因此，在像素3中，包括在第二半导体基体40中的淬灭电阻元件7的源极端子和反相器8的输入端子可以电连接到包括在第一半导体基体10中的第一半导体部14的n型第二半导体区域17，这使得能够对n型第二半导体区域17(APD元件6的阴极)进行偏置调节。
此外，分离部13的分离导体13a用作用于将淬灭电阻元件7的源极端子和反相器8的输入端子电连接至第一半导体部14的n型第二半导体区域17的导电路径。因此，在像素3中，能够通过偏置电压来固定分离部13的分离导体13a的电位。
在此，在通过外延生长方法选择性地形成的第二半导体部24中，成分在外围区域中比在中心区域中更可能变化。因此，优选的是，在第二半导体部24中将接触电极34a连接至容易均匀地形成成分的中心区域。
(外围区域的配置)
如图7所示，除了分离部13和第一半导体部14之外，半导体层11还包括设置在外围区域2B中的外围半导体部19。
外围半导体部19形成在与第一半导体部14同一层中，并且包括类似于第一半导体部14的单晶硅的单晶硅。尽管未详细示出，但是外围半导体部19具有环形平面图案，其中，平面图中的平面图案包围像素区域2A。
外围半导体部19包括与像素区域2A相邻并共享提供给像素区域2A的电势的第一外围区域19a，以及在第一外围区域19a的外部与第一外围区域19a电分离的第二外围区域19b。此外，外围半导体部19包括将第一外围区域19a和第二外围区域19b电分离的分离部20。在第一实施方式中，尽管不限于此，但设置两个分离部20A和20B。
尽管未详细示出，然而，两个分离部20A和20B中的每个均具有环形平面图案，其中，平面图中的平面图案以围绕像素区域2A的方式延伸。此外，在包括X方向和Y方向的二维平面中，如图7所示，两个分离部20A和20B中的每一个与布置在像素区域2A的最外围上的分离部13间隔开。此外，两个分离部20A和20B也彼此间隔开。
第一外围区域19a以包围像素区域2A的方式配置在像素区域2A的外侧。此外，第二外围区域19b设置在第一外围区域19a的外部，以便围绕第一外围区域19a。即，第一外围区域19a和第二外围区域19b均具有环形图案，其中，平面图中的平面图案包围像素区域2A。这里，也在外围半导体部19中，在半导体层11的厚度方向上彼此相对的第一面和第二面之中，第一面可以被称为第一面S1并且第二面可以被称为第二面S2。
第一外围区域19a包括例如n型半导体区域。第二外围区域19b包括例如p型半导体区域。例如，两个分离部20A和20B之间的外围半导体部19包括与第二外围区域19b相似的p型半导体区域。
如图7所示，两个分离部20A和20B中的每一个从外围半导体部19的第一面S1侧延伸至第二面S2侧。此外，与分离部13类似，两个分离部20A和20B中的每个包括沿外围半导体部19的厚度方向(Z方向)延伸的分离导体13a和覆盖在分离导体13a的任一侧上的侧面的分离绝缘体13b。即，两个分离部20A和20B中的每个还具有三层结构，其中，分离导体13a的两侧在与外围半导体部19的厚度方向(Z方向)正交的方向上被夹在分离绝缘体13b之间。两个分离的分离部20A和20B的分离导体13a和分离绝缘体13b分别以与上述的分离部13的分离导体13a和分离绝缘体13b相同的工艺形成。
设置在外围半导体部19的第二面S2侧的遮光膜61a与两个分离部20A和20B一一对应地电连接和机械连接。在与上述遮光膜61相同的过程中形成遮光膜61a。当在平面图中观察时，遮光膜61a一对一地重叠布置在两个分离部20A和20B上。
如图7所示，位于像素区域2A的最外围的遮光膜61在分离部13的像素区域2A侧与第一半导体部14的n型第二半导体区域17接触，并且在分离部13的像素区域2A侧与第一半导体部14的n型第二半导体区域17电连接和机械连接，并且在分离部13的外围区域2B侧与外围半导体部19的第一外围区域19a电连接和机械连接。即，向像素区域2A中的每个像素3提供作为公共电位的偏置电压通过分离部13施加到与像素区域2A中的最外的外围像素3相邻的外围半导体部19的第一外围区域19a。在第一实施例中，与第二半导体部24的p型非本征半导体层27电连接的接触电极34a位于APD元件6的阳极侧，并且与第一半导体部14的n型第二半导体区域17电连接的接触电极34b位于APD元件6的阴极侧。由此，外围半导体部19的第一外围区域19a共享作为公共电势提供给像素3的相应光电转换器29的阴极电势。
与上述遮光膜61不同，遮光膜61a的宽度均比分离部20A和20B的宽度窄。此外，重叠在分离部20A上的遮光膜61a与外围半导体部分19的第一外围区域19a电分离，并且重叠在分离部20B上的遮光膜61a与外围半导体部19的第二外围区域19b电分离。此外，重叠在分离部20A上的遮光膜61a和重叠在分离部20B上的遮光膜61a也与分离部20A和20B之间的外围半导体部19电分离。
因此，可以将外围半导体部19的第二外围区域19b共享为施加不同于提供给外围半导体部19的第一外围区域19a的电位的电位的施加区域。在第一实施方式中，因为第二外围区19b包括p型半导体区，所以第二外围区19b可以共享为诸如接地电位的第一参考电位。在第二外围区域19b包括n型半导体区域的情况下，第二外围区域19b可以被共享为高于第一参考电位的第二参考电位，诸如Vdd。
注意，在第一实施例中，描述了外围半导体部19的第一外围区域19a和第二外围区域19b被两个分离部20A和20B电隔离的情况；然而，可以提供单个分离部20，或者可以提供三个或更多的分离部20。为了使分离部20作为保护环发挥作用，从可靠性的观点出发，优选设置两个以上的分离部。
(其他配置)
如图5至图7所示，平面化膜62在平面图中设置在像素区域2A和外围区域2B上，并且覆盖包括遮光膜61和61a的第一半导体基体10的第二面S2的整个侧面，使得第一半导体基体10的光入射面(第二面S2)的侧面是没有凹凸的平坦面。作为平坦化膜62，例如使用氧化硅膜。
如图5至7中所示，微透镜层63包括布置在像素区域2A中的多个微透镜部63a和布置在外围区域2B中的平坦部63b。多个微透镜部63a的每个微透镜部63a以对应于多个像素3的像素3(即，像素区域2A中的多个光电转换器29的光电转换器29)的矩阵一对一布置。微透镜部63a各自使照射光会聚并且允许会聚的光有效地进入对应像素3的光电转换器29。多个微透镜部63a被包括在半导体层11的第二面S2侧上的微透镜阵列中。例如，微透镜层63包括诸如STSR或CSiL的基于树脂的材料。
如图7所示，选择性绝缘膜21设置在像素区域2A和外围区域2B上，并且覆盖外围半导体部19的整个第一面S1侧。因此，第二半导体部24选择性地设置在像素区域2A的第一半导体部14上，但不设置在外围区域2B上。
<<第一实施方式的效果>>
接下来，将描述第一实施方式的主要效果。
在常规的光电转换器中，通过增加半导体部(半导体层)的厚度能够增加对近红外光的灵敏度。然而，光吸收器和倍增器被包括在单个半导体部中。因此，半导体部的厚度的增加导致与ToF一样重要的定时抖动特性的劣化。即，在常规距离图像传感器中，对近红外光的灵敏度和定时抖动特性之间存在折衷关系。
另一方面，在如在第一实施方式中描述的这种光电转换器29中，如图6所示，倍增器15包括在包含Si的第一半导体部14中。光吸收器25包括在包含锗基材料(SiGe)的第二半导体部24中，第二半导体部24比第一半导体部14的带隙更窄，并且对近红外光的敏感度更高(更好)。该布置使得能够提高对近红外光的灵敏度，而不增加包括第一半导体部14和第二半导体部24的整个半导体部的厚度。此外，可以提高对近红外光的灵敏度，而不增加整个半导体部的厚度，这能够抑制由于半导体部的厚度的增加而导致的定时抖动特性的劣化。因此，根据第一实施方式的距离图像传感器1可提高对近红外光的灵敏度并且抑制定时抖动的劣化。
此外，根据第一实施例的距离图像传感器1具有由在第一半导体部14的第一面S1上选择性地形成第二半导体部24的选择性绝缘膜21覆盖的外围半导体部19的第一面S1。因此，在根据第一实施方式的距离图像传感器1中，第二半导体部24可以选择性地形成在第一半导体部14的第一面S1的侧面上，而不在外围半导体部19上形成第二半导体部24。
此外，根据第一实施方式的距离图像传感器1包括分离部13和遮光膜61作为导电路径，导电路径将设置在第一半导体部14的第一面S1侧上的接触电极34b和设置在第一半导体部14的第二面S2侧上的n型第二半导体区域17电连接。因此，在根据第一实施例的距离图像传感器1中，可以构建导电路径，该导电路径将设置在第一半导体部14的第一面S1侧的接触电极34b和设置在与第一半导体部14的第一面S1侧相反的第二面S2侧的n型第二半导体区域17电连接，而不减小光电转换器29在单个像素3中的占据面积。
此外，在根据第一实施方式的距离图像传感器1中，第一半导体基体10的多级布线层31和第二半导体基体40的多级布线层51分别通过多级布线层31的金属焊盘和多级布线层51的金属焊盘(金属焊盘37a和57a以及金属焊盘37b和57b)连接。因此，在根据第一实施方式的距离图像传感器1中，读取电路可以设置在与设置有光电转换器29的第一半导体基体10不同的第二半导体基体40上，并且不需要在第一半导体基体10上设置读取电路。结果，可以增加光电转换器29在单个像素3中的占用面积，并且可以提高灵敏度。
注意，在上面的第一实施例中，已经描述了具有其中包含Si和Ge的化合物的本征半导体层26和包含Si和Ge的化合物的p型非本征半导体层27从第一半导体部14侧按顺序布置的两层结构的第二半导体部24的情况。然而，本技术不限于如上所述的这种SiGe的化合物。例如，第二半导体部24可以具有两层结构，其中，包含Ge的本征半导体层和包含Ge并且具有与第一半导体部14的p型第一半导体区域16相同的导电类型的p型外源半导体层可以从更接近第一半导体部14的一侧按顺序设置。在这种情况下，也能够得到与上述第一实施例同样的效果。与以上本征半导体层26类似，可以通过外延生长方法选择性地形成包括Ge的本征半导体层。此外，与上述非本征半导体层27类似，可以通过外延生长法或离子注入法形成包括Ge的非本征半导体层。
此外，在上述第一实施方式中，已经描述了具有矩形平面图案的第二半导体部24。然而，第二半导体部24可以具有圆形平面图案。同样在这种情况下，可以获得类似于上述第一实施例的距离图像传感器1的效果。
[第二实施例]
根据本技术的第二实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第一实施方式的距离图像传感器1基本相似，但是在光电转换器的配置上不同。
即，如图8中所示，第二实施方式的光电转换器29A包括第二半导体部24A，代替图6中所示的光电转换器29的第二半导体部24。其他结构与上述第1实施方式相同。
如图8所示，第二实施方式的第二半导体部24A包括SiGe的化合物，并且包括具有与第一半导体部14的p型第一半导体区域16相同的导电类型的p型非本征半导体层27的单层。类似于以上第一实施方式的第二半导体部24，在平面图中，第二半导体部24A具有轮廓24A1，该轮廓位于第一半导体部14的轮廓14a内侧。
此外，第二半导体部24A由于与选择性绝缘膜21的自对准而形成在第一半导体部14的第一面S1侧上，并且与第一半导体部14的P型第一半导体区域16共价键合。此外，光吸收器25设置在第二半导体部24A处。
与包含Si的第一半导体部14相比，具有这种配置的第二半导体部24A的带隙较窄，并且对近红外光的灵敏度较高。因此，在第二实施方式的光电转换器29A处，可以提高对近红外光的灵敏度，而不增加包括第一半导体部14和第二半导体部24的整个半导体部的厚度。此外，可以提高对近红外光的灵敏度，而不增加整个半导体部的厚度，这能够抑制由于半导体部的厚度的增加而导致的定时抖动特性的劣化。结果，根据第二实施例的距离图像传感器也可以获得与根据上述第一实施例的距离图像传感器1的效果类似的效果。
注意，第二半导体部24A可以包括单层的包含Ge的p型非本征半导体层。同样在这种情况下，可以获得类似于上述第一实施例的距离图像传感器1的效果。
[第三实施例]
根据本技术的第三实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第一实施方式的距离图像传感器1基本相似，但是在像素的配置上不同。
即，如图9所示，第三实施方式的像素3包括第一金属布线35B而不是图6所示的第一金属布线35a。其他结构与上述第1实施方式相同。
如图9所示，第三实施方式的第一金属线35B被设置成在平面图中与更靠近第二半导体部24的与第一半导体部14侧相反侧(第一半导体部14的第一面S1侧)上重叠在第二半导体部24上，并且在平面图中具有位于第二半导体部24的轮廓24a外部的轮廓35B1。另外，第一金属布线35B通过接触电极34a与第二半导体部24的P型非本征半导体层27电连接，通过接触电极36a与金属焊盘37a电连接。
在第二实施方式的像素3中，已经从作为第一半导体部14的第二面S2侧的光入射面侧入射并且已经穿过光电转换器29的光从第一金属布线35B反射，并且返回至光电转换器29。由此，通过第一金属布线35B的反射效果，能够提高光电转换器29(APD元件6)的量子效率。因此，根据第二实施例的距离图像传感器可以获得与根据上述第一实施例的距离图像传感器1的效果类似的效果，并且可以进一步提高光电转换器29的量子效率。
应注意，为了确保第一金属布线35B与第二金属布线35b之间的绝缘电阻，优选地，第一金属布线35B具有平面图案，其中，在平面图中，轮廓35B1位于第一半导体部14的轮廓14a内。
[第四实施例]
根据本技术的第四实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第一实施方式的距离图像传感器1基本相似，但是在光电转换器的配置上不同。
即，如图10所示，第四实施例的光电转换器29C进一步包括设置在第一半导体部14的第二面S2侧上的形状不均匀的光反射器28。其他结构与上述第1实施方式相同。
光反射器28可以将从第一半导体部14的第二面S2侧入射的光漫反射到其第一面S1侧，这使得入射在第二半导体部24上的光的量能够在二维平面中变得均匀，并且可以提高灵敏度。因此，根据第四实施例的距离图像传感器可以获得与上述距离图像传感器1的效果类似的效果，并且可以进一步提高灵敏度。
[第五实施例]
根据本技术的第五实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第一实施方式的距离图像传感器1基本相似，但是在光电转换器的配置上不同。
即，如图11所示，第五实施例的光电转换器29D包括第二半导体部24D，而不是图6所示的光电转换器29的第二半导体部24。其他结构与上述第1实施方式相同。
如图11所示，第五实施方式的第二半导体部24D具有上面24D1和侧面24D2，并且所述侧面24D2倾斜，使得所述上面24D1和所述侧面24D2之间的内角θ是钝角。换言之，第二半导体部24D的侧面24D2倾斜，使得第二半导体部24D的上面24D1的面积小于下面24D3的面积。
在第五实施例的光电转换器29D中，已经从第一半导体部14的光入射面侧(第二面S2侧的侧)入射的光穿过第一半导体部14并进入第二半导体部24D。然后，已经进入第二半导体部24D的光被第二半导体部24D的侧面24D2向内反射，使得可以提高光吸收器25(第二半导体部24)处的光吸收率。因此，根据第五实施方式的距离图像传感器可获得与根据以上第一实施方式的距离图像传感器1的效果相似的效果，并且可提高光吸收器25处的光吸收率。
注意，第二半导体部24D的侧面24D2可以通过外延生长方法在第一半导体部14上选择性地生长第二半导体部24D而容易地倾斜。
[第六实施例]
根据本技术的第六实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第一实施方式的距离图像传感器1基本相似，bur是光电转换器的不同配置。
即，如图12所示，根据第六实施例的光电转换器29E包括设置有从第一半导体部14的第一面S1侧延伸到第二面S2侧的凹槽14E的第一半导体部14。此外，p型第一半导体区域16和n型第二半导体区域17重叠设置在凹槽14E上，与凹槽14E相比更靠近第一半导体部14的第二面S2侧。此外，第二半导体部24被布置在凹槽14E中，并且本征半导体层26在凹槽14E的底部与第一半导体部14的p型第一半导体区域16共价键合。此外，除凹槽14E之外，包括第一半导体部14和外围半导体部19的半导体层11的第一面S1侧被选择性绝缘膜21覆盖。此外，与第一实施例相比，第一半导体部14和外围半导体部19的厚度较厚。此外，分离部13和分离部20与厚度一起在半导体层11的厚度方向上延长。其他结构与上述第1实施方式相同。
在根据第六实施方式的距离图像传感器中，与如在第一实施方式中使整个半导体层11变薄的情况相比，可以增加第一半导体部14和外围半导体部19的机械强度，换言之，半导体层11的机械强度。
此外，在光电转换器29E处，包括第一半导体部14和第二半导体部24的整个半导体部的厚度可以减小，同时确保了第一半导体部14和外围半导体部19的机械强度。
此外，在根据第六实施例的距离图像传感器中，第二半导体部24可以在凹槽14E中选择性地形成在第一半导体部14的第一面S1侧，而不在外围半导体部19上形成第二半导体部24。
注意，作为第六实施例的第一变形例，如图13A所示，可以在凹槽14E的侧壁上形成选择性绝缘膜21。
可替换地，作为第六实施方式的第二变形例，第二半导体部24可以嵌入在凹槽14E中，以从凹槽14E暴露，如图13B中所示。
可替换地，作为第六实施方式的第三变形例，可以在凹槽14E中设置如在第五实施方式中描述的这种第二半导体部24D，代替如图14所示的第二半导体部24。
[第七实施例]
根据本技术的第七实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第一实施方式的距离图像传感器1基本相似，但是在光电转换器的配置上不同。
即，如图15所示，第七实施方式的光电转换器29F包括p型第一半导体区域16F，代替图6所示的p型第一半导体区域16。其他结构与上述第1实施方式相同。
如图15所示，第七实施方式的p型第一半导体区域16F与分离部13间隔开。此外，p型第一半导体区域16F与分离部13间隔开，并且因此其中形成雪崩倍增区域的pn结18与分离部13间隔开。另外，在分离部13的分离导体13a上连接有接触电极34b。
如上所述，p型第一半导体区域16F与分离部13间隔开，并且因此其中形成雪崩倍增区域的pn结18与分离部13间隔开。因此，可以抑制由于在第一半导体部14与分离部13之间的界面处产生的暗电流引起的雪崩倍增。
因此，根据第七实施例的距离图像传感器可以获得与根据上述第一实施例的距离图像传感器1的效果类似的效果，并且可以抑制由于暗电流引起的雪崩倍增。
[第八实施例]
根据本技术的第八实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第七实施方式的距离图像传感器基本相似，但是在光电转换器的配置上不同。
即，如图16中所示，第八实施方式的光电转换器29G包括n型第二半导体区域17G来代替在图15中所示的第七实施方式的n型第二半导体区域17。其他结构与上述第七实施方式相同。
如图16所示，第八实施方式的n型第二半导体区域17G被设置在相对于第一半导体部14的第一面S1侧比p型第一半导体区域16F的位置更深的位置处，n型第二半导体区域17G和p型第一半导体区域16F的底部形成pn结18，并且n型第二半导体区17G包括第一部17G1，在平面图中，第一部17G1具有位于p型第一半导体区域16F的轮廓16F1内部的轮廓17G11。此外，n型第二半导体区域17G包括第二部17G2，相对于第一半导体部14的第一面S1侧，第二部17G2被设置在比第一部17G1的位置更深的位置处，并且具有在平面图中位于p型第一半导体区域16F的轮廓16F1外部的轮廓17G21。第二部17G2的最外围(轮廓17G21)与分离部13接触。另外，第一部17G1的轮廓17G11位于p型第一半导体区域16F的轮廓16F1的内侧，因此pn结18位于p型半导体区域16F的轮廓16F1的内侧。
如上所述，n型第二半导体区域17G被设置成使得与p型第一半导体区域16F形成pn结18的第一部分17G1在平面图中位于p型第一半导体区域16F的轮廓16F1内部，并且因此pn结18位于p型第一半导体区域16F的轮廓16F1内部。因此，可避免在p型第一半导体区域16F的边缘部分(轮廓16F1)处的高电场。利用该配置，可以抑制偏置到p型第一半导体区域16F的边缘部分的雪崩倍增，并且可以在整个pn结18上使雪崩倍增均匀，使得可以提高光检测效率。
因此，根据第八实施方式的距离图像传感器可获得与根据第七实施方式的距离图像传感器的效果相似的效果，并且可提高光吸收率。
[第九实施例]
根据本技术的第九实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第一实施方式的距离图像传感器1基本相似，但是在像素的配置上不同。
即，如图17所示，第九实施例的像素3包括选择性绝缘膜22来代替图6所示的第一实施例的选择性绝缘膜21。其他结构与第1实施方式相同。
如图17所示，第九实施例的选择性绝缘膜22是嵌入式的并且嵌入在第一半导体部14中以便从第一半导体部14的第一面S1暴露。例如，可以通过在第一半导体部14中形成凹槽、在第一半导体部14上形成绝缘膜以便填充凹槽、并且然后选择性地去除第一半导体14上的绝缘膜使得绝缘膜保留在凹槽中来形成选择性绝缘膜22。以这种方式选择性地形成在凹槽中的绝缘膜被称为浅凹槽隔离(STI)结构。
选择性绝缘膜22选择性地设置在第二半导体部24外部的第一半导体部14上，除了直接在第二半导体部24下方的第一半导体部14之外。此外，虽然未示出，但是类似于第一实施例的选择性绝缘膜21，选择性绝缘膜22设置在像素区域2A和外围区域2B上，并且覆盖整个外围半导体部19的第一面S1的一侧。因此，同样在根据第九实施方式的距离图像传感器中，与根据第一实施方式的距离图像传感器1相似，第二半导体部24可以选择性地形成在第一半导体部14的第一面S1侧，而不在外围半导体部19上形成第二半导体部24。
[第十实施例]
根据本技术的第十实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第九实施方式的距离图像传感器基本相似，但是在光电转换器的配置上不同。
即，如图18所示，代替图17所示的第九实施例的P型第一半导体区域16，第十实施例的光电转换器29H包括P型第一半导体区域16H。其他结构与上述第9实施方式相同。
如图18所示，第十实施方式的p型第一半导体区域16H与选择性绝缘膜22间隔开。P型第一半导体区域16H具有位于第二半导体部24的轮廓24a内的平面视图中的轮廓16H1。另外，由于P型的第一半导体区域16H与选择性绝缘膜22分离，因此形成有雪崩倍增区域的pn结18与选择性绝缘膜22分离。
如上所述，由于P型的第一半导体区域16H与选择性绝缘膜22分离，因此形成有雪崩倍增区域的pn结18与选择性绝缘膜22分离。结果，可以抑制由于在第一半导体部14与选择性绝缘膜22之间的界面处生成的暗电流引起的雪崩倍增。
因此，根据第十实施例的距离图像传感器可以获得与根据上述第一实施例的距离图像传感器1的效果类似的效果，并且可以抑制由于暗电流引起的雪崩倍增。
[第十一实施例]
根据本技术的第十一实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第十实施方式的距离图像传感器基本相似，但是在光电转换器的配置上不同。
即，如图19所示，第十一实施方式的光电转换器29J包括如图16所示的第八实施方式中所描述的n型半导体区域17G来代替图18所示的第十实施方式的n型第二半导体区域17。其他结构与第十实施方式相同。
在光电转换器29J中，在P型的第一半导体区域16H的轮廓16H1的内部也配置有pn结18。因此，可避免在P型第一半导体区域16H的边缘部分(轮廓16H1)处的高电场。其结果，能够抑制向P型的第一半导体区域16H的边缘部偏置的雪崩倍增，并且能够使整个pn结18上的雪崩倍增均匀。由此，可以提高光检测效率。
因此，根据第十一实施方式的距离图像传感器可获得与根据第十实施方式的距离图像传感器的效果类似的效果，并且可提高光检测效率。
[第十二实施例]
根据本技术的第十二实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第九实施方式的距离图像传感器基本相似，但是在像素的配置上不同。
即，如图20A所示，第十二实施方式的像素3包括分离部13K和遮光膜61K，而不是图17所示的第九实施方式的分离部13和遮光膜61。此外，n型第二半导体区域17和分离部13K以不同的连接形式电连接。
如图20A所示，分离部13K包括设置在第一半导体层11的第一面S1侧的第一部分13K1和设置在比第一部分13K1的位置深的位置处与第一部分13K1串联连接并且宽度比第一部分13K1窄的第二部分13K2。
如图20B所示，与上述分离部13相似，第一部分13K1包括在第一半导体部14的厚度方向(Z方向)上延伸的分离导体13a1和覆盖在分离导体13a1的任一侧上的侧面的分离绝缘体13b1。另外，与上述分离部13类似，第二部分13K2包括在第一半导体部14的厚度方向(Z方向)上延伸的分离导体13a2以及覆盖分离导体13a2的任一侧上的侧面的分离绝缘体13b2。此外，第一部分13K1的分离导体13a1的宽度比第二部分13K2的分离导体13a2的宽度宽。此外，包括第一部分13K1和第二部分13K2的分离部13K在第一半导体部14的第一面S1和第二面S2上延伸。分离导体13a1和13a2各自包括光反射率和电导率优异的金属膜，例如钨(W)膜。分离绝缘体13b1和13b2各自包括绝缘优良的绝缘膜，例如氧化硅(SiO2)膜。
分离部13K具有第一部分13K1的分离导体13a1和第二部分13K2的分离导体13a2的宽度差引起的台阶部13c。此外，n型第二半导体区域17的外围部分电连接和机械连接至台阶部分13c。即，n型第二半导体区域17电气地并且机械地连接至比第一半导体部14的第二面S2更接近第一半导体部14的第一面S1的分离部13K的分离导体(13a1和13a2)。换言之，n型第二半导体区域17在分离部13K的一端的侧面与另一端的侧面之间的中间电气地且机械地连接至分离部13K的分离导体(13a1和13a2)。
如图20A和20B所示，与上述遮光膜61类似，遮光膜61K具有格状平面图案，其中，光电转换器29在其光接收面侧在平面图中具有平面图案，使得来自预定像素3的光不会泄漏到相邻像素3中。此外，与上述遮光膜61不同，遮光膜61K与上述遮光膜61的不同之处在于宽度比分离部13K的宽度窄。即，第十二实施方式的遮光膜61K具有遮光功能，但是与上述遮光膜61不同，不具有作为中继电极的功能。遮光膜61K例如由钛(Ti)膜和钨(W)膜从半导体层10侧依次层叠的复合膜构成。
具有这种配置的根据第十二实施方式的距离图像传感器可获得与根据上述第一实施方式的距离图像传感器1的效果相似的效果。
此外，在根据第十二实施方式的距离图像传感器中，n型第二半导体区域17电气地并且机械地连接至分离部13K的分离导体(13a1和13a2)，该分离导体比第一半导体部14的第二面S2更接近第一半导体部14的第一面S1。由此，能够使遮光膜61K的宽度比上述实施例的遮光膜61窄。结果，能够增加光电转换器29的开口面积，并且能够提高光电转换器29的量子效率(光接收灵敏度)。
[第十三实施例]
根据本技术的第十三实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第十实施方式的距离图像传感器基本相似，但是在像素的配置上不同。
即，如图21中所示，第十三实施方式的像素3包括如图20A和图20B中所示的第十二实施方式中所描述的分离部13K和遮光膜61K，而不是图18中的第十实施方式的分离部13和遮光膜61。其他结构与上述第10实施方式相同。
根据第十三实施方式的距离图像传感器可以获得与根据以上第一实施方式的距离图像传感器1的效果相似的效果，并且可以抑制由于暗电流引起的雪崩倍增。另外，可以提高光电转换器29H的开口面积，并且可以提高光电转换器29H的量子效率(受光灵敏度)。
[第十四实施例]
根据本技术的第十四实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第十一实施方式的距离图像传感器基本相似，但是在像素的配置上不同。
即，如图22中所示，第十四实施方式的像素3包括如图20A和20B中所示的第十二实施方式中所描述的分离部13K和遮光膜61K，而不是图19中的第十一实施方式的分离部13和遮光膜61。其他结构与上述第十一实施方式相同。
根据第十四实施方式的距离图像传感器可获得与根据第十一实施方式的距离图像传感器的效果类似的效果，并且可增加光电转换器29J的开口面积。其结果，能够提高光电转换器29J的量子效率(受光灵敏度)。
[第十五实施例]
根据本技术的第十五实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第一实施方式的距离图像传感器1基本相似，但是在像素的配置上不同。
即，如图23所示，第十五实施方式的像素3包括如图20A和20B所示的第十二实施方式所述的分离部13K和遮光膜61K，代替图6中的第一实施方式的分离部13和遮光膜61。其他结构与上述第1实施方式相同。
根据第十五实施方式的距离图像传感器可以获得与根据以上第一实施方式的距离图像传感器1的效果类似的效果，并且可以增加光电转换器29的开口面积。其结果，能够提高光电转换器29的量子效率(受光灵敏度)。
[第十六实施例]
根据本技术的第十六实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第七实施方式的距离图像传感器基本相似，但是在像素的配置上不同。
即，如图24所示，第十六实施方式的像素3包括如图20A和20B所示的第十二实施方式中所描述的分离部13K和遮光膜61K，而不是图15中的第七实施方式的分离部13和遮光膜61。其他结构与上述第7实施方式相同。
根据第十六实施方式的距离图像传感器可获得与根据以上第七实施方式的距离图像传感器的效果相似的效果，并且可增加光电转换器29F的开口面积。其结果，能够提高光电转换器29F的量子效率(受光灵敏度)。
[第十七实施例]
根据本技术的第十七实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第八实施方式的距离图像传感器基本相似，但是在像素的配置上不同。
即，如图25所示，第十七实施方式的像素3包括如在图20A和20B所示的第十二实施方式中描述的分离部13K和遮光膜61K，而不是图16中的第八实施方式的分离部13和遮光膜61。其他结构与上述第8实施方式相同。
根据第十七实施例的距离图像传感器能够获得与根据以上第八实施例的距离图像传感器的效果类似的效果，并且能够增加光电转换器29G的开口面积。其结果，能够提高光电转换器29G的量子效率(受光灵敏度)。
[第十八实施例]
根据本技术的第十八实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第七实施方式的距离图像传感器基本相似，但是在像素的配置上不同。
即，如图26所示，本实施例十八的像素3具有n型的第二半导体区域17L和遮光膜61L，来代替图15的实施例7的n型的第二半导体区域17和遮光膜61。此外，n型第二半导体区域17L和接触电极34b以不同的连接形式电连接。其他结构与上述第7实施方式相同。
如图26所示，第十八实施方式的n型第二半导体区域17L设置在第一半导体部14的第一面S1侧的比p型第一半导体区16F的位置更深的位置处，n型第二半导体区域17L和p型第一半导体区域16F的底部形成pn结18，并且n型第二半导体区域17L包括：第一部分17L1，具有位于平面图中的轮廓位于p型第一半导体区域16F的轮廓之外的轮廓；以及第二部分17L2，沿着分立部13从第一部分17L1朝向第一半导体部14的第一面S1侧突出。另外，接触电极34b贯通选择性绝缘膜21，与第二部分17L2电连接、机械连接。第二部分17L2设置在分离部13与P型第一半导体区域16F之间。此外，p型第一半导体区域16F和pn结18与第二部分17L2间隔开。即，p型第一半导体区域16F与n型第二半导体区域17L的第二部分17L2和接触电极34b之间的连接部分间隔开。
注意，虽然未示出，但是出于减小与接触电极的欧姆电阻的目的，在n型第二半导体区域17L的第二部分17L2中提供包括掺杂浓度高于n型第二半导体区域17L的n型半导体区的接触区。
与上述遮光膜61a类似，遮光膜61L的宽度比分离部13的宽度窄。此外，遮光膜61L与n型第二半导体区域17L电分离。即，与遮光膜61不同，遮光膜61L具有遮光功能，但不具有作为中继电极的功能。
根据第十八实施例的距离图像传感器能够获得与根据上述第一实施例的距离图像传感器1的效果类似的效果。此外，p型第一半导体区域16F与n型第二半导体区域17L与接触电极34b之间的连接部分隔开，并且因此可以抑制在p型第一半导体区域16F的边缘部分处的雪崩倍增。
[第十九实施例]
根据本技术的第十九实施方式的距离图像传感器在配置上与根据上述第十八实施方式的距离图像传感器基本相似，但是在像素的配置上不同。
即，如图27所示，本实施例十九的像素3具有n型的第二半导体区域17M来代替图26的实施例18的n型的第二半导体区域17L。其他结构与上述第18实施方式相同。
如图27所示，第十九实施方式的n型第二半导体区域17M设置在第一半导体部14的第一面S1侧的比p型第一半导体区域16F的位置更深的位置处，n型第二半导体区域17M和p型第一半导体区域16F的底部形成pn结18，并且n型第二半导体区域17M包括具有在平面图中位于p型第一半导体区域16F的轮廓内部的轮廓的第一部分17M1。此外，n型第二半导体区域17M包括：第二部分17M2，相对于第一半导体部分14的第一面S1的侧面，设置在比第一部分17M1的位置更深的位置处，并且具有在平面图中位于在平面图中p型第一半导体区域16F的轮廓外部的轮廓；以及第三部分17M3，沿着分离部13从第二部分17M2朝向第一半导体部14的第一面S1侧突出。另外，接触电极34b贯通选择性绝缘膜21，与第三部分17M3电连接、机械连接。第三部分17M3布置在分离部13与P型第一半导体区16F之间。此外，p型第一半导体区16F和pn结18与第三部分17M3间隔开。即，p型第一半导体区域16F与n型第二半导体区域17M的第三部分17M3和接触电极34b之间的连接部分间隔开。此外，第一部分17M1具有位于P型第一半导体区域16F的轮廓内部的轮廓，从而pn结18位于P型第一半导体区域16F的轮廓内部。
注意，虽然未示出，但是出于减小与接触电极的欧姆电阻的目的，在n型第二半导体区域17M的第三部分17M3中设置包括掺杂浓度高于n型第二半导体区域17M的半导体区域的接触区域。
根据第十九实施例的距离图像传感器可以获得与根据以上第十二实施例的距离图像传感器的效果类似的效果。此外，pn结18位于p型第一半导体区域16F的轮廓内侧。因此，可避免在p型第一半导体区域16F的边缘部分(轮廓16F1)处的高电场。利用该配置，可以抑制偏置到p型第一半导体区域16F的边缘部分的雪崩倍增，并且可以在整个pn结18上使雪崩倍增均匀，使得可以提高光检测效率。
[第二十实施例]
在上述第一至第十九实施例中，已经描述了第一半导体区域(16、16F或16H)和非本征半导体层27均包括p型半导体并且n型第二半导体区(17、17G、17L或17M)包括n型半导体的情况。然而，本技术可应用于P型半导体和n型半导体互换的配置。在互换的情况下，检测空穴，并且将正电压施加至阳极以进行操作。
应注意，在以上第一实施方式至第二十实施方式中描述的雪崩光电二极管(APD)元件均包括在高于击穿电压的偏压下操作APD元件的盖革模式和在接近击穿电压的稍高偏压下操作APD元件的线性模式。盖革模式APD元件也被称为单光子雪崩二极管(SPAD)元件。
[电子设备的配置]
如图28所示，作为电子设备的距离图像装置201包括光学系统202、传感器芯片2、图像处理电路203、监视器204、以及存储器205。距离图像设备201可以通过接收从光源装置211朝向对象投射并且从对象的表面反射的光(调制光或脉冲光)根据到对象的距离获取距离图像。
光学系统202包括一个或多个透镜，将来自对象的图像光(入射光)引导至传感器芯片2，并且在传感器芯片2的光接收面(传感器单元)上形成图像。
作为传感器芯片2，应用安装有上述任一实施例的距离图像传感器的传感器芯片2(10)，并且将表示从从传感器芯片2输出的光接收信号(APD出)获得的距离的距离信号提供给图像处理电路203。
图像处理电路203基于从传感器芯片2提供的距离信号执行构建距离图像的图像处理。通过图像处理获得的距离图像(图像数据)被提供给监视器204并显示在监视器204上，或者被提供给存储器205并存储(记录)在存储器205中。
在具有这种配置的距离图像装置201中，通过应用上述传感器芯片2，可仅基于来自稳定性高的像素3的光接收信号和精度高的距离图像来计算距对象的距离。即，距离图像装置201可以获取更精确的距离图像。
[图像传感器的使用的实例]
例如，上述传感器芯片2(图像传感器)可用于各种感测光的情况，诸如如下所述的可见光、红外光、紫外光或X射线。
·用于拍摄待提供用于观看的图像的装置，诸如，数码相机以及具有相机功能的便携式装置；
·待提供用于交通的装置，诸如：车载车辆传感器，用于拍摄汽车的前方、后方、周围或内部，用于安全驾驶(诸如，自动停止)并且用于识别驾驶员的状态等；监控摄像机，用于监控行驶车辆和道路；以及距离传感器，用于测量车辆之间的距离；
·用于家用电器(诸如，TVs、冰箱、以及空调)的装置，以便拍摄用户的手势并且响应于该手势操作该电器；
·被提供用于医疗和保健的装置，诸如内窥镜和用于通过接收红外光的血管造影的装置；
·有待提供用于安全的设备，如用于犯罪预防应用的监控相机和用于人员认证应用的相机；
·待提供用于美容护理的装置，如用于拍摄皮肤的皮肤测量仪器和用于拍摄头皮的显微镜；
·待提供用于体育的装置，如用于体育应用的动作相机和可穿戴相机等；
·待提供用于农业的装置，如用于监测田地和作物的状态的摄像机。
应注意，本技术还可采用以下配置。
(1)
一种光电检测器，包括：
像素区域，其中具有光电转换器的多个像素以矩阵布置，
其中，光电转换器包括：
第一半导体部，由分离部划分；
第二半导体部，设置在所述第一半导体部的第一面侧，第一面与所述第一半导体部分的第二面相对，所述第二半导体部包含锗；
光吸收器，设置于所述第二半导体部，光吸收器被配置为吸收进入所述第二半导体部的光以产生载流子；以及
倍增器，设置于所述第一半导体部，所述倍增器被配置为用于对由所述光吸收器生成的所述载流子进行雪崩倍增。
(2)
根据上述(1)的光电检测器，其中，第二半导体部分具有比第一半导体部分窄的带隙。
(3)
根据上述(1)或(2)的光电检测器，其中，第二半导体部与第一半导体部共价键合。
(4)
根据上述(1)至(3)中任一项所述的光电检测器，其中，第一半导体部包含硅。
(5)
根据上述(1)至(4)中任一项所述的光电检测器，其中，第二半导体部具有在平面图中位于第一半导体部的轮廓内侧的轮廓。
(6)
根据上述(1)至(5)中的任一项所述的光电检测器，其中，所述倍增器包括：第一导电类型的第一半导体区域，所述第一半导体区域被设置在所述第一半导体部的所述第一面侧；以及
第二导电类型的第二半导体区域，第二半导体区域被设置在相对于所述第一半导体部的所述第一面侧比所述第一半导体区域的位置更深的位置处，所述第二半导体区域和所述第一半导体区域形成pn结，在所述pn结中形成雪崩倍增区域。
(7)
根据上述(6)的光电检测器，其中，第二半导体部包括：与第一半导体区域的导电类型相同的导电类型的半导体层，该半导体层包含锗；或
导电类型与所述第一半导体区域的导电类型相同的非本征半导体层，所述非本征半导体层包含硅和锗的化合物。
(8)
根据上述(6)的光电检测器，其中，第二半导体部包括：
复合层，从更靠近所述第一半导体部的一侧依次包括：包含硅和锗的化合物的本征半导体层，以及具有与所述第一半导体区域的导电类型相同的导电类型的非本征半导体层，所述非本征半导体层包含硅和锗的化合物；或
复合层，从更靠近第一半导体部的一侧依次包括包含锗的本征半导体层、以及具有与第一半导体区域的导电类型相同的导电类型的非本征半导体层，该非本征半导体层包含锗。
(9)
根据上述(1)至(8)中任一项所述的光检测器，进一步包括：
选择性绝缘膜，利用所述选择性绝缘膜在所述第一半导体部的所述第一面侧选择性地形成所述第二半导体部，
其中，第二半导体部由于与选择性绝缘膜的自对准而选择性地形成。
(10)
根据上述(9)的光电检测器，其中，选择性绝缘膜对应于覆盖第一半导体部的第一面侧的表面型绝缘膜或嵌入在第一半导体部中以便从第一面暴露的嵌入式绝缘膜。
(11)
根据上述(1)至(10)中任一项所述的光电检测器，其中，
所述分离部包括：分离导体，在所述第一半导体部的厚度方向上延伸；以及分离绝缘体，覆盖所述分离导体的任一侧上的侧面中的每一个，并且
所述第二半导体区域与分离导体电连接。
(12)
根据上述(11)的光电检测器，其中，第二半导体区域通过设置在第一半导体部的第二面侧的中继电极电连接到分离导体。
(13)
根据上述(11)的光电检测器，其中，第二半导体区域与分离导体连接，分离导体离第一半导体部的第一面比第一半导体部的第二面更近。
(14)
根据上述(1)至(13)中任一项所述的光检测器，进一步包括：
第一金属布线，在平面图中在与所述第二半导体部的更接近所述第一半导体部的一侧相对的一侧上重叠设置在所述第二半导体部上，所述第一金属布线具有位于所述第二半导体部的轮廓外侧的轮廓。
(15)
根据上述(1)至(14)中任一项所述的光电检测器，其中，第一半导体部包括在第二面侧上的形状不均匀的光反射器。
(16)
根据上述(1)至(15)中任一项所述的光电检测器，其中，第二半导体部具有上表面和侧面，并且
所述侧面以所述上表面与所述侧面之间的内角为钝角的方式倾斜。
(17)
根据上述(1)至(16)中任一项所述的光检测器，
其中，
第一半导体部分包括从所述第一面侧延伸至所述第二面侧的凹槽，
第一半导体区域和第二半导体区域被重叠设置在凹槽上，所述第一半导体区域和所述第二半导体区域离第二面侧比凹槽更近，以及
所述第二半导体部设置在所述凹槽中。
(18)
根据上述(9)的光电检测器，还包括：外围区域，布置在像素区域的外侧；以及
外围半导体部，形成在所述外围区域中，以便与所述第一半导体部分在相同层上，所述外围半导体部被所述选择性绝缘膜覆盖。
(19)
根据上述(6)的光电检测器，其中，第一半导体区域与分离部间隔开。
(20)
根据上述(19)所述的光传感器，其中，所述第二半导体区域具有与所述第一半导体区域形成所述pn结的部分，所述部分在平面图中位于所述第一半导体区域的轮廓的内侧。
(21)
根据上述(1)至(20)中任一项所述的光电检测器，进一步包括：微透镜层，设置在第一半导体部的第二面侧上。
(22)
一种电子设备，包括：
光电检测器，包括：
半导体层，包括由分离部划分的第一半导体部，
倍增器，包括其中形成雪崩倍增区域的pn结；以及
第二半导体部，设置在所述第一半导体部的第一面侧，所述第一面与所述第一半导体部的第二面相对，所述第二半导体部包含锗；以及
光学系统，被配置为利用来自对象的图像光在所述第一半导体部的所述第一面上形成图像。
本技术的范围不限于所示出和所描述的示例性实施方式，而是还包括提供与预期本技术的效果等效效果的所有实施方式。此外，本技术的范围不限于由权利要求限定的本发明特征的组合，而是可以由所公开的所有特征中的具体特征的任何期望的组合限定。
1距离图像传感器(光电检测器) 2传感器芯片
2A像素区域 2B外围区域 3像素 4电极垫
5偏置电压施加单元 6 APD元件(雪崩光电二极管元件)
7淬灭电阻元件 8反相器
10第一半导体基体(传感器侧半导体基体)
11半导体层 13，13K分离部 13a分离导体
13b分离绝缘子 14第一半导体部 14E凹槽
15倍增器 16，16F，16H P型第一半导体区域
17，17G，17L，17M N型第二半导体区域
18Pn结 19外围半导体部 19a第一外围区域
19b第二外围区域 20分离部 21表面型选择性绝缘膜
22嵌入式选择性绝缘膜 24，24D第二半导体部
25光吸收器 26本征半导体层(i-SiGe)
27p型非本征半导体层(p-SiGe)
29，29C，29D，29E，29G，29H，29J光电转换器
31多层布线层(传感器侧多层布线层)
32层间绝缘膜 34a，34b接触电极 35a，35B第一金属布线
35b第二金属布线 36a，36b接触电极 37a，37b金属垫片
40第二半导体基体(逻辑侧半导体基体)
41半导体基板 42栅电极 51多级布线层(逻辑侧多级布线层)
52层间绝缘膜 53布线 55a，55b电极垫
56a，56b接触电极 57a，57b金属焊盘
61，61K遮光膜(中继电极) 61a遮光膜 62平坦化膜
63微透镜层 63a微透镜部 63b平坦部。

Claims (22)

1.一种光电检测器，包括：
像素区域，其中具有光电转换器的多个像素以矩阵布置，
其中，所述光电转换器包括：
第一半导体部，由分离部分割；
第二半导体部，设置在所述第一半导体部的第一面侧，第一面与所述第一半导体部的第二面相对，所述第二半导体部包含锗；
光吸收器，设置于所述第二半导体部，所述光吸收器被配置为吸收进入所述第二半导体部的光以产生载流子；以及
倍增器，设置于所述第一半导体部，所述倍增器被配置为对由所述光吸收器生成的所述载流子进行雪崩倍增。
2.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述第二半导体部具有比所述第一半导体部窄的带隙。
3.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述第二半导体部与所述第一半导体部共价键合。
4.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述第一半导体部包含硅。
5.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述第二半导体部具有在平面图中位于所述第一半导体部的轮廓内侧的轮廓。
6.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述倍增器包括：
第一导电类型的第一半导体区域，所述第一半导体区域被设置在所述第一半导体部的所述第一面侧；以及
第二导电类型的第二半导体区域，所述第二半导体区域被设置在相对于所述第一半导体部的所述第一面侧比所述第一半导体区域的位置更深的位置处，所述第二半导体区域和所述第一半导体区域形成pn结，在所述pn结中形成雪崩倍增区域。
7.根据权利要求6所述的光电检测器，其中，所述第二半导体部包括：
导电类型与所述第一半导体区域的导电类型相同的半导体层，所述半导体层包含锗；或
导电类型与所述第一半导体区域的导电类型相同的非本征半导体层，所述非本征半导体层包含硅和锗的化合物。
8.根据权利要求6所述的光电检测器，其中，所述第二半导体部包括：
复合层，从更靠近所述第一半导体部的一侧依次包括：包含硅和锗的化合物的本征半导体层，以及具有与所述第一半导体区域的导电类型相同的导电类型的非本征半导体层，所述非本征半导体层包含硅和锗的化合物；或
复合层，从更靠近第一半导体部的一侧依次包括包含锗的本征半导体层、以及具有与第一半导体区域的导电类型相同的导电类型的非本征半导体层，所述非本征半导体层包含锗。
9.根据权利要求1所述的光电检测器，进一步包括：
选择性绝缘膜，利用所述选择性绝缘膜在所述第一半导体部的所述第一面侧选择性地构成所述第二半导体部，
其中，所述第二半导体部由于与所述选择性绝缘膜的自对准而选择性地形成。
10.根据权利要求9所述的光电检测器，其中，所述选择性绝缘膜对应于覆盖所述第一半导体部的所述第一面侧的表面型绝缘膜或嵌入所述第一半导体部中使得从所述第一面暴露的嵌入型绝缘膜。
11.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，
所述分离部包括：分离导体，在所述第一半导体部的厚度方向上延伸；以及分离绝缘体，覆盖所述分离导体的任一侧上的侧面中的每一个，并且
所述第二半导体区域与所述分离导体电连接。
12.根据权利要求11所述的光电检测器，其中，所述第二半导体区域通过设置在所述第一半导体部的第二面侧的中继电极与所述分离导体电连接。
13.根据权利要求11所述的光电检测器，其中，所述第二半导体区域与所述分离导体连接，所述分离导体离所述第一半导体部的所述第一面比所述第一半导体部的所述第二面更近。
14.根据权利要求1所述的光电检测器，进一步包括：
第一金属布线，在平面图中在与所述第二半导体部的更接近所述第一半导体部的一侧相对的一侧上重叠设置在所述第二半导体部上，所述第一金属布线具有位于所述第二半导体部的轮廓外侧的轮廓。
15.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述第一半导体部包括在第二面侧上的形状不均匀的光反射器。
16.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，所述第二半导体部具有上表面和侧面，并且
所述侧面以所述上表面与所述侧面之间的内角为钝角的方式倾斜。
17.根据权利要求1所述的光电检测器，其中，
所述第一半导体部包括从所述第一面侧延伸至第二面侧的凹槽，
第一半导体区域和第二半导体区域被重叠设置在所述凹槽上，所述第一半导体区域和所述第二半导体区域离所述第二面侧比所述凹槽更近，以及
所述第二半导体部设置在所述凹槽中。
18.根据权利要求9所述的光电检测器，进一步包括：外围区域，布置在所述像素区域的外侧；以及
外围半导体部，形成在所述外围区域中，以便与所述第一半导体部在相同层上，所述外围半导体部被所述选择性绝缘膜覆盖。
19.根据权利要求6所述的光电检测器，其中，所述第一半导体区域与所述分离部间隔开。
20.根据权利要求19所述的光电检测器，其中，所述第二半导体区域具有与所述第一半导体区域形成所述pn结的部分，所述部分在平面图中位于所述第一半导体区域的轮廓线的内侧。
21.根据权利要求1所述的光电检测器，进一步包括：微透镜层，被设置在所述第一半导体部的第二面侧上。
22.一种电子设备，包括：
光电检测器，包括：
半导体层，包括由分离部划分的第一半导体部，
倍增器，包括其中形成雪崩倍增区域的pn结；以及
第二半导体部，设置在所述第一半导体部的第一面侧，所述第一面与所述第一半导体部的第二面相对，所述第二半导体部包含锗；以及
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7233051B2 (en) * 2005-06-28 2007-06-19 Intel Corporation Germanium/silicon avalanche photodetector with separate absorption and multiplication regions
US7683397B2 (en) * 2006-07-20 2010-03-23 Intel Corporation Semi-planar avalanche photodiode
JP5185207B2 (ja) * 2009-02-24 2013-04-17 浜松ホトニクス株式会社 フォトダイオードアレイ
JP2011155248A (ja) * 2009-12-28 2011-08-11 Sony Corp 固体撮像装置とその製造方法並びにカメラ
US8786043B2 (en) * 2012-05-05 2014-07-22 SiFotonics Technologies Co, Ltd. High performance GeSi avalanche photodiode operating beyond Ge bandgap limits
US10217889B2 (en) * 2015-01-27 2019-02-26 Ladarsystems, Inc. Clamped avalanche photodiode
JP7055544B2 (ja) 2016-11-29 2022-04-18 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 センサチップおよび電子機器
GB201814688D0 (en) * 2018-09-10 2018-10-24 Univ Court Univ Of Glasgow Single photon avaalanche detector method for use therof and method for it's manufacture

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