DE112021002675T5

DE112021002675T5 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE112021002675T5
Application number: DE112021002675.5T
Authority: DE
Inventors: Jun Hiramitsu; Mitsuhito Mase; Akihiro Shimada; Hiroaki Ishii; Toshinori Ito; Yuma Tanaka
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2021-01-12
Publication date: 2023-02-23
Also published as: KR20230008752A; WO2021225015A1; CN115516636A; JP6913793B1; US20230223418A1; JP2021177521A

Abstract

Optischer Sensor mit einer Lawinen-Multiplikationsregion, die eine erste Multiplikationsregion mit einem ersten Leitfähigkeitstyp und eine zweite Multiplikationsregion mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp enthält, wobei sowohl die erste Multiplikationsregion als auch die zweite Multiplikationsregion in einer Schichtform ausgebildet sind, eine Ladungssammelregion mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, der auf einer ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion angeordnet ist, wenn eine Seite, an der sich die zweite Multiplikationsregion in Bezug auf die erste Multiplikationsregion in einer Dickenrichtung der ersten Multiplikationsregion und der zweiten Multiplikationsregion befindet, als die erste Seite festgelegt ist, und eine erste leitfähige Region mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, der auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion angeordnet ist. Die zweite Multiplikationsregion hat einen ersten Bereich, der die Ladungssammelregion in der Dickenrichtung überlappt, und einen zweiten Bereich, der die erste leitfähige Region in der Dickenrichtung überlappt. Die Konzentration der Verunreinigungen im ersten Bereich ist höher als die Konzentration der Verunreinigungen im zweiten Bereich.

Description

Technisches Gebiet
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf einen optischen Sensor.
Stand der Technik
In der Patentliteratur 1 wird ein optischer Sensor beschrieben, der Lawinen-Multiplikation verwendet. In einem solchen optischen Sensor wird eine Spannung zwischen einer vorderen Oberfläche und einer hinteren Oberfläche eines Substrats angelegt, um eine Lawinen-Multiplikation in einer Lawinen-Multiplikationsregion zu bewirken. Dadurch werden die im Substrat erzeugten Elektronen vervielfacht und die Lichterkennungsempfindlichkeit wird erhöht.
Zitateliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Internationale Patentveröffentlichung WO 2017/043068 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In dem oben beschriebenen optischen Sensor kann zusätzlich zu einer Ladungssammelregion, in der vervielfachte Ladungen gesammelt werden, eine Region mit einem anderen Leitfähigkeitstyp als dem der Ladungssammelregion (im Folgenden als heteroleitende Region bezeichnet) vorgesehen sein. In diesem Fall ist es wahrscheinlicher, dass sich eine Verarmungsschicht in einem Bereich der Lawinen-Multiplikationsregion ausbreitet, der die heteroleitende Region überlappt, als in einem Bereich davon, der die Ladungssammelregion überlappt. Daher besteht die Sorge, dass ein elektrisches Feld, das in der Lawinen-Multiplikationsregion beim Anlegen einer Spannung erzeugt wird, ungleichmäßig werden kann. Wenn das elektrische Feld ungleichmäßig ist, z.B. wenn die angelegte Spannung so weit erhöht wird, dass es zu einer Lawinenvervielfachung kommt, kann es in einem Bereich unterhalb der Ladungssammelregion zu einem Bruch der Verbindung kommen.
Ein Aspekt der Offenbarung besteht darin, einen optischen Sensor bereitzustellen, der in der Lage ist, das elektrische Feld in der Lawinen-Multiplikationsregion zu vereinheitlichen.
Lösung des Problems
Ein optischer Sensor gemäß einem Aspekt der Offenbarung umfasst eine Lawinen-Multiplikationsregion, die eine erste Multiplikationsregion mit einem ersten Leitfähigkeitstyp und eine zweite Multiplikationsregion mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp umfasst, wobei sowohl die erste Multiplikationsregion als auch die zweite Multiplikationsregion in einer Schichtform ausgebildet sind, eine Ladungssammelregion mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf einer ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion angeordnet ist, wenn eine Seite, an der sich die zweite Multiplikationsregion in Bezug auf die erste Multiplikationsregion in einer Dickenrichtung der ersten Multiplikationsregion und der zweiten Multiplikationsregion befindet, als die erste Seite festgelegt ist, und eine erste leitende Region mit dem ersten leitenden Typ, die auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion angeordnet ist, wobei die zweite Multiplikationsregion einen ersten Bereich, der die Ladungssammelregion in der Dickenrichtung überlappt, und einen zweiten Bereich, der die erste leitende Region in der Dickenrichtung überlappt, enthält, und eine Konzentration von Verunreinigungen in dem ersten Bereich höher ist als eine Konzentration von Verunreinigungen in dem zweiten Bereich.
In diesem optischen Sensor hat die zweite Multiplikationsregion einen ersten Bereich, der die Ladungssammelregion in der Dickenrichtung überlappt, und einen zweiten Bereich, der die erste leitende Region in der Dickenrichtung überlappt, und eine Konzentration von Verunreinigungen in dem ersten Bereich ist höher als eine Konzentration von Verunreinigungen in dem zweiten Bereich. Auf diese Weise kann die Verarmungsschicht in dem ersten Bereich leicht erweitert werden, und ein elektrisches Feld, das in der Lawinen-Multiplikationsregion erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, kann vereinheitlicht werden.
Die erste Multiplikationsregion kann die Ladungssammelregion und die erste leitende Region in Richtung der Dicke überlappen. In diesem Fall kann die Fläche der ersten Multiplikationsregion sichergestellt und eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden.
Ein optischer Sensor gemäß einem Aspekt der Offenbarung umfasst eine Lawinen-Multiplikationsregion, die eine erste Multiplikationsregion mit einem ersten Leitfähigkeitstyp und eine zweite Multiplikationsregion mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp umfasst, wobei sowohl die erste Multiplikationsregion als auch die zweite Multiplikationsregion in einer Schichtform ausgebildet sind, eine Ladungssammelregion mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf einer ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion angeordnet ist, wenn eine Seite, an der sich die zweite Multiplikationsregion in Bezug auf die erste Multiplikationsregion in einer Dickenrichtung der ersten Multiplikationsregion und der zweiten Multiplikationsregion befindet, als die erste Seite festgelegt ist, und eine erste leitende Region mit dem ersten leitenden Typ, die auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion angeordnet ist, wobei die erste Multiplikationsregion einen ersten Bereich, der die Ladungssammelregion in der Dickenrichtung der ersten Multiplikationsregion und der zweiten Multiplikationsregion überlappt, und einen zweiten Bereich, der die erste leitende Region in der Dickenrichtung überlappt, aufweist, und eine Konzentration von Verunreinigungen in dem zweiten Bereich höher ist als eine Konzentration von Verunreinigungen in dem ersten Bereich.
In diesem optischen Sensor hat die erste Multiplikationsregion einen ersten Bereich, der die Ladungssammelregion in der Dickenrichtung überlappt, und einen zweiten Bereich, der die erste leitende Region in der Dickenrichtung überlappt, und eine Konzentration von Verunreinigungen in dem zweiten Bereich ist höher als eine Konzentration von Verunreinigungen in dem ersten Bereich. Auf diese Weise kann die Ausdehnung der Verarmungsschicht im zweiten Bereich unterdrückt werden, und ein elektrisches Feld, das in der Lawinen-Multiplikationsregion erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, kann vereinheitlicht werden.
Die zweite Multiplikationsregion kann die Ladungssammelregion und die erste leitende Region in Richtung der Dicke überlappen. In diesem Fall kann die Fläche der zweiten Multiplikationsregion sichergestellt und eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden.
Ein optischer Sensor gemäß einem Aspekt der Offenbarung kann eine Vielzahl von Pixeln enthalten, wobei jedes der Pixel der Lawinen-Multiplikationsregion, die Ladungssammelregion und die erste leitende Region enthält, wobei die erste Multiplikationsregion über die Vielzahl von Pixeln verbunden sein kann oder einen Graben erreichen kann, der so ausgebildet ist, dass er die Vielzahl von Pixeln voneinander trennt. In diesem Fall wird eine hohe Empfindlichkeit in jedem Pixel in einem Zustand realisiert, in dem Variationen in der Lichtempfangsempfindlichkeit zwischen der Vielzahl von Pixeln und Variationen in der Lichtempfangsempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Position in einem Pixel unterdrückt werden. Infolgedessen kann die Lichtempfangsempfindlichkeit in jedem Pixel gleichmäßig verbessert werden.
Ein optischer Sensor gemäß einem Aspekt der Offenbarung kann eine Vielzahl von Pixeln enthalten, wobei jedes der Pixel der Lawinen-Multiplikationsregion, die Ladungssammelregion und die erste leitende Region enthält, wobei die zweite Multiplikationsregion über die Vielzahl von Pixeln verbunden sein kann oder einen Graben erreichen kann, der so ausgebildet ist, dass er die Vielzahl von Pixeln voneinander trennt. In diesem Fall wird eine hohe Empfindlichkeit in jedem Pixel in einem Zustand realisiert, in dem Variationen in der Lichtempfangsempfindlichkeit zwischen der Vielzahl von Pixeln und Variationen in der Lichtempfangsempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Position in einem Pixel unterdrückt werden. Infolgedessen kann die Lichtempfangsempfindlichkeit in jedem Pixel gleichmäßig verbessert werden.
Der erste Bereich darf die erste leitende Region in der Dickenrichtung nicht überlappen. In diesem Fall ist es möglich, das Auftreten einer Situation (Punch-Through) zu verhindern, in der ein Strom zwischen der Lawinen-Multiplikationsregion und der ersten leitenden Region fließt, weil die Verarmungsschicht die erste leitende Region erreicht, wenn eine Spannung angelegt wird.
Der erste Bereich kann die erste leitende Region in Richtung der Dicke überlappen. In diesem Fall kann das elektrische Feld in der Lawinen-Multiplikationsregion weiter vereinheitlicht werden.
Die erste leitende Region kann ein Wannenbereich sein, der einen Schaltkreis bildet. Bei diesem optischen Sensor kann das elektrische Feld in der Lawinen-Multiplikationsregion auch dann gleichförmig sein, wenn eine solche Muldenregion vorhanden ist.
Ein optischer Sensor gemäß einem Aspekt der Offenbarung kann eine Vielzahl von Pixeln enthalten, wobei jedes der Pixel die Lawinen-Multiplikationsregion, die Ladungssammelregion und die erste leitende Region enthält, wobei die erste leitende Region eine Trennregion sein kann, die an einem Grenzbereich zwischen der Vielzahl von Pixeln vorgesehen ist. Gemäß diesem optischen Sensor kann das elektrische Feld in der Lawinen-Multiplikationsregion gleichförmig sein, selbst wenn eine solche Trennregion vorgesehen ist.
Die erste leitende Region kann die Ladungssammelregion umgeben, wenn man ihn in Richtung der Dicke betrachtet. Bei diesem optischen Sensor kann das elektrische Feld in der Lawinen-Multiplikationsregion selbst dann gleichförmig sein, wenn eine solche erste leitende Region vorhanden ist.
Ein optischer Sensor gemäß einem Aspekt der Offenbarung kann ferner eine Elektrode umfassen, die auf der ersten Seite der Ladungssammelregion angeordnet ist, und eine Zwischenregion mit dem ersten leitenden Typ, der zwischen der Ladungssammelregion und der Elektrode angeordnet ist. In diesem Fall kann die Erzeugung von Dunkelstrom um die Elektrode herum unterdrückt werden.
Ein optischer Sensor gemäß einem Aspekt der Offenbarung kann ferner eine Ladungsübertragungsregion mit dem zweiten leitenden Typ, der auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion angeordnet und mit der Ladungssammelregion verbunden ist, und eine Transfer-Gate-Elektrode, die auf einem Bereich neben der Ladungsübertragungsregion angeordnet ist, umfassen. In diesem Fall können die in der Ladungssammelregion gesammelten Ladungen mit hoher Geschwindigkeit in der Ladungsübertragungsregion übertragen werden.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der Offenbarung ist es möglich, einen optischen Sensor bereitzustellen, der in der Lage ist, ein elektrisches Feld in einer Lawinen-Multiplikationsregion zu uniformieren.
Figurenliste

1 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Fotodetektors mit einem Entfernungsmesser-Bildsensor gemäß einer Ausführungsform.
2 ist eine Draufsicht auf einen Pixelteil eines Entfernungsmesser-Bildsensors.
3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III von 2.
4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV von 2.
5 (a) und 5(b) sind Diagramme, die ein elektrisches Feld veranschaulichen, das in einer Lawinen-Multiplikationsregion erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird.
6 (a) und 6(b) sind Diagramme, die ein elektrisches Feld veranschaulichen, das in der Lawinen-Multiplikationsregion erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird.
7 ist eine Draufsicht auf einen Entfernungsmesser-Bildsensor gemäß einem ersten modifizierten Beispiel.
8 ist eine Querschnittsansicht entlang der in 7 dargestellten Linie VIII-VIII.
9 ist eine Draufsicht auf einen Entfernungsmesser-Bildsensor gemäß einem zweiten modifizierten Beispiel.

10 ist eine Querschnittsansicht entlang der in 9 dargestellten Linie X-X.
11 ist eine Querschnittsansicht entlang der in 9 dargestellten Linie XI-XI.
12 ist eine Querschnittsansicht eines Entfernungsmesser-Bildsensors gemäß einem dritten modifizierten Beispiel.
13 ist eine Querschnittsansicht eines Entfernungsmesser-Bildsensors gemäß einem vierten modifizierten Beispiel.
14 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiterschicht eines Bildsensors gemäß einem fünften modifizierten Beispiel.
15 ist eine Querschnittsansicht entlang der in 14 dargestellten Linie XV-XV.
16 ist eine Querschnittsansicht eines Entfernungsmesser-Bildsensors gemäß einem sechsten modifizierten Beispiel.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden dieselben Referenzsymbole für dieselben oder äquivalente Elemente verwendet, und eine duplizierte Beschreibung wird vermieden.
[Konfiguration des Fotodetektors]
Wie in 1 dargestellt, umfasst ein Fotodetektor 1 eine Lichtquelle 2, einen Entfernungsmesser-Bildsensor (optischer Sensor) 10A, eine Signalverarbeitungseinheit 3, einen Controller 4 und eine Anzeigeeinheit 5. Der Fotodetektor 1 ist eine Vorrichtung, die ein Entfernungsbild eines Objekts OJ (ein Bild, das Informationen in Bezug auf eine Entfernung d zum Objekt OJ enthält) unter Verwendung eines indirekten TOF-Verfahrens (Time of Flight, Laufzeit) erfasst.
Die Lichtquelle 2 emittiert gepulstes Licht L. Die Lichtquelle 2 umfasst z. B. eine Infrarot-LED usw. Das gepulste Licht L ist zum Beispiel Nahinfrarotlicht, und die Frequenz des gepulsten L beträgt zum Beispiel 10 kHz oder mehr. Der Entfernungsmesser-Bildsensor 10A erfasst das von der Lichtquelle 2 emittierte und vom Objekt OJ reflektierte gepulste Licht L. Der Entfernungsmesser-Bildsensor 10A ist durch monolithische Bildung eines Pixelteils 11 und eines CMOS-Leseschaltungsteils 12 auf einem Halbleitersubstrat (z.B. einem Siliziumsubstrat) konfiguriert. Der Entfernungsmesser-Bildsensor 10A ist an der Signalverarbeitungseinheit 3 angebracht.
Die Signalverarbeitungseinheit 3 steuert den Pixelteil 11 und den CMOS-Leseschaltungsteil 12 des Entfernungsmesser-Bildsensors 10A. Die Signalverarbeitungseinheit 3 führt eine vorbestimmte Verarbeitung eines vom Entfernungsmesser-Bildsensor 10A ausgegebenen Signals durch, um ein Erfassungssignal zu erzeugen. Der Controller 4 steuert die Lichtquelle 2 und die Signalverarbeitungseinheit 3. Das Steuergerät 4 erzeugt ein Entfernungsbild des Objekts OJ auf der Grundlage eines von der Signalverarbeitungseinheit 3 ausgegebenen Erfassungssignals. Die Anzeigeeinheit 5 zeigt ein von der Steuereinheit 4 erzeugtes Abstandsbild des Objekts OJ an.
[Konfiguration des Entfernungsmesser-Bildsensors]
Wie in den 2, 3 und 4 dargestellt, enthält der Entfernungsmesser-Bildsensor 10A eine Halbleiterschicht 20 und eine Elektrodenschicht 40 in der Pixeleinheit 11. Die Halbleiterschicht 20 hat eine erste Oberfläche 20a und eine zweite Oberfläche 20b. Die erste Oberfläche 20a ist eine Oberfläche auf einer Seite der Halbleiterschicht 20 in einer Dickenrichtung. Die zweite Oberfläche 20b ist eine Oberfläche auf der anderen Seite der Halbleiterschicht 20 in der Dickenrichtung. Die Elektrodenschicht 40 ist auf der ersten Oberfläche 20a der Halbleiterschicht 20 angeordnet. Die Halbleiterschicht 20 und die Elektrodenschicht 40 sind in einer Vielzahl von Pixeln 11a enthalten, die entlang der ersten Oberfläche 20a angeordnet sind. In dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10A ist die Vielzahl von Pixeln 11a zweidimensional entlang der ersten Oberfläche 20a angeordnet. Im Folgenden wird die Dickenrichtung der Halbleiterschicht 20 als Z-Richtung bezeichnet, eine Richtung senkrecht zur Z-Richtung wird als X-Richtung bezeichnet, und eine Richtung senkrecht sowohl zur Z-Richtung als auch zur X-Richtung wird als Y-Richtung bezeichnet. Ferner wird eine Seite in Z-Richtung als erste Seite und die andere Seite in Z-Richtung (die der ersten Seite gegenüberliegende Seite) als zweite Seite bezeichnet. Es ist zu beachten, dass in 2 die Darstellung einer Verdrahtungsschicht 60, die später beschrieben wird, weggelassen ist.
In der Halbleiterschicht 20 enthält jedes Pixel 11a eine Halbleiterregion 21, eine Lawinen-Multiplikationsregion 22, eine Ladungssammelregion 23, ein Paar erster Ladungsübertragungsregionen 24 und 25, ein Paar zweiter Ladungsübertragungsregionen 26 und 27, eine Vielzahl von Ladungssperrregionen 28, eine Wannenregion (erste leitende Region) 31, eine LOCOS-Region (Local Oxidation of Silicon) 33, eine Barriereregion 34 und ein Paar Senkenregionen 35. Jede der Regionen 21 bis 28 und 31 bis 35 wird durch verschiedene Behandlungen (z. B. Ätzen, Filmbildung, Injektion von Verunreinigungen usw.) auf einem Halbleitersubstrat (z. B. einem Siliziumsubstrat) gebildet.
Die Halbleiterregion 21 ist eine p-Typ-Region (erster Leitfähigkeitstyp) und ist entlang der zweiten Oberfläche 20b in der Halbleiterschicht 20 vorgesehen. Die Halbleiterregion 21 fungiert als Lichtabsorptionsregion (photoelektrische Umwandlungsregion) , die in Reaktion auf einfallendes Licht elektrische Ladungen erzeugt. Als Beispiel ist die Halbleiterregion 21 eine p-Typ-Region mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 10¹⁵ cm^-3 oder weniger, und ihre Dicke beträgt etwa 10µ m. Es ist zu beachten, dass die Lawinen-Multiplikationsregion 22 usw. als Lichtabsorptionsregion (photoelektrische Umwandlungsregion) fungiert.
Die Lawinen-Multiplikationsregion 22 umfasst eine erste Multiplikationsregion 71 und eine zweite Multiplikationsregion 72. Jeder der ersten Multiplikationsregion 71 und der zweiten Multiplikationsregion 72 ist in einer Schichtform entlang einer Ebene lotrecht zur Z-Richtung ausgebildet. Die erste Multiplikationsregion 71 und die zweite Multiplikationsregion 72 sind entlang der Z-Richtung (Dickenrichtung) angeordnet. Die erste Multiplikationsregion 71 ist eine p-Typ-Region und wird auf einer ersten Seite der Halbleiterregion 21 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Die Dicke der ersten Multiplikationsregion 71 beträgt beispielsweise etwa 1 µm. Die zweite Multiplikationsregion 72 ist eine n-Typ-Region (zweiter Leitfähigkeitstyp) und wird auf der ersten Seite der ersten Multiplikationsregion 71 in der Halbleiterschicht 20 ausgebildet. Die Dicke der zweiten Multiplikationsregion 72 beträgt zum Beispiel etwa 1 µm. Die erste Multiplikationsregion 71 und die zweite Multiplikationsregion 72 bilden einen pn-Übergang. Einzelheiten über die Lawinen-Multiplikationsregion 22 werden später beschrieben.
Die Ladungssammelregion 23 ist eine n-Typ-Region und wird auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion 72 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Als Beispiel ist die Ladungssammelregion 23 eine n-Typ-Region mit einer Ladungsträgerkonzentration von 5× 10¹⁵ bis 1× 10¹⁶ cm^-3, und ihre Dicke beträgt etwa 1 µm. In diesem Beispiel fungiert die Ladungssammelregion 23 als eine Ladungsverteilungsregion.
Jede der ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 ist eine n-Typ-Region und wird auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion 72 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Jede der ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 ist mit der Ladungssammelregion 23 verbunden. Das Paar der ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 ist in X-Richtung einander zugewandt, wobei ein erster Seitenbereich der Ladungssammelregion 23 dazwischen angeordnet ist. Beispielsweise ist jede der ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 eine n-Typ-Region mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 10¹⁸ cm^-3 oder mehr, und ihre Dicke beträgt etwa 0,2 µm. Ein zweiter Seitenbereich der Ladungssammelregion 23 ist zwischen jeder der ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 und der zweiten Multiplikationsregion 72 eingefügt. In diesem Beispiel fungiert jede der ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 als Ladungsakkumulierungsregion.
Jede der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 und 27 ist eine n-Typ-Region und wird auf der ersten Seite des zweiten Multiplikationsregion 72 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Jede der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 und 27 ist mit der Ladungssammelregion 23 verbunden. Das Paar der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 und 27 ist in Y-Richtung einander zugewandt, wobei ein erster Seitenbereich der Ladungssammelregion 23 dazwischen angeordnet ist. Beispielsweise ist jede der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 und 27 eine n-Typ-Region mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 10¹⁸ cm^-3 oder mehr, und ihre Dicke beträgt etwa 0, 2 µm. Der zweite Seitenbereich der Ladungssammelregion 23 ist zwischen jeder der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 und 27 und der zweiten Multiplikationsregion 72 eingefügt. In diesem Beispiel fungiert jede der zweiten Ladungsübertragungsregion 26 und 27 als eine Ladungsentladungsregion.
Jede Ladungssperrregion 28 ist eine p-Typ-Region und wird zwischen jeder der ersten Ladungsübertragungsregion 24 und 25 und der Ladungssammelregion 23 (dem zweiten Seitenbereich der Ladungssammelregion 23) in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Beispielsweise ist jede Ladungssperrregion 28 eine p-Typ-Region mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 10¹⁷ bis 1× 10¹⁸ cm^-3, und ihre Dicke beträgt etwa 0,2 µm.
Die Wannenregion 31 ist eine p-Typ-Region und wird auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion 72 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Die Wannenregion 31 ist so angeordnet, dass sie zu der Ladungssammelregion 23 in einer Richtung lotrecht zur Z-Richtung ausgerichtet ist. In diesem Beispiel umgibt die Wannenregion 31 die Ladungssammelregion 23, wenn man sie in Z-Richtung betrachtet. Die LOCOS-Region 33 ist eine isolierende Region, die auf der ersten Seite der Wannenregion 31 in der Halbleiterschicht 20 ausgebildet ist. Die LOCOS-Region 33 ist mit der Wannenregion 31 verbunden. Die Wannenregion 31 und die LOCOS-Region 33 bilden eine Vielzahl von Leseschaltungen (z. B. einen Source-Folger-Verstärker, einen Reset-Transistor usw.). Jede Leseschaltung ist elektrisch mit jeder der ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 verbunden.
Beispielsweise ist die Wannenregion 31 eine p-Typ-Region mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 10¹⁶ bis 5× 10¹⁷ cm^-3, und ihre Dicke beträgt etwa 1 µm. Die Wannenregion 31 ist auch eine Trennregion, der an einem Grenzbereich zwischen der Vielzahl von Pixeln 11a vorgesehen ist, um die Vielzahl von Pixeln 11a voneinander zu trennen. Es ist zu beachten, dass als Struktur zur elektrischen Trennung des Pixelteils und des Leseschaltungsteils anstelle der LOCOS-Region 33 STI (Shallow Trench Isolation) verwendet werden kann, oder nur die Wannenregion 31 verwendet werden kann.
Die Barriereregion 34 ist eine n-Typ-Region und wird zwischen der zweiten Multiplikationsregion 72 und der Wannenregion 31 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Die Barriereregion 34 schließt die Wannenregion 31 ein, wenn man ihn in Z-Richtung betrachtet. Das heißt, die Wannenregion 31 befindet sich in Z-Richtung gesehen innerhalb der Barriereregion 34. Die Barriereregion 34 umgibt die Ladungssammelregion 23. Die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen in der Barriereregion 34 ist höher als die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen in der zweiten Multiplikationsregion 72. Beispielsweise ist die Barriereregion 34 eine n-Typ-Region mit einer Ladungsträgerkonzentration in einer Region von der Ladungsträgerkonzentration der zweiten Multiplikationsregion 72 bis etwa dem Doppelten der Ladungsträgerkonzentration der zweiten Multiplikationsregion 72, und ihre Dicke beträgt etwa 1 µm.
Jede Senkenregion 35 ist eine n-Typ-Region und wird auf der ersten Seite der Barriereregion 34 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Ein Ende jeder Senkenregion 35 auf der zweiten Seite ist mit der Barriereregion 34 verbunden. Ein Ende jeder Senkenregion 35 auf der ersten Seite ist mit jeder der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 und 27 verbunden. Die Konzentration von Verunreinigungen vom n-Typ in jeder der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 und 27 ist höher als die Konzentration von Verunreinigungen vom n-Typ in jeder Senkenregion 35, und die Konzentration von Verunreinigungen vom n-Typ in jeder Senkenregion 35 ist höher als die Konzentration von Verunreinigungen vom n-Typ in Barriereregion 34 und die Konzentration von Verunreinigungen vom p-Typ in der Wannenregion 31. Beispielsweise ist jede Senkenregion 35 eine n-Typ-Region mit einer Ladungsträgerkonzentration, die gleich oder höher ist als die Ladungsträgerkonzentration der Senkenregion 31, und ihre Dicke hängt von dem Abstand zwischen jeder der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 und 27 und der Barriereregion 34 ab.
Jedes Pixel 11a hat eine Photogate-Elektrode 41, ein Paar erster Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 und ein Paar zweiter Transfer-Gate-Elektroden 44 und 45 in der Elektrodenschicht 40. Jede der Gate-Elektroden 41 bis 45 ist auf der ersten Oberfläche 20a der Halbleiterschicht 20 über den Isolierfilm 46 ausgebildet. Die Isolierschicht 46 ist beispielsweise eine Siliziumnitridschicht, eine Siliziumoxidschicht usw.
Die Photogate-Elektrode 41 ist auf der ersten Seite der Ladungssammelregion 23 in der Elektrodenschicht 40 ausgebildet. Die Photogate-Elektrode 41 besteht aus einem Material mit Leitfähigkeit und Lichtdurchlässigkeit (z.B. Polysilizium). Beispielsweise hat die Photogate-Elektrode 41 eine rechteckige Form mit zwei Seiten, die einander in X-Richtung zugewandt sind, und zwei Seiten, die einander in Y-Richtung zugewandt sind, wenn man sie in Z-Richtung betrachtet.
Die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 ist auf der ersten Seite der Ladungssammelregion 23 in der Elektrodenschicht 40 so ausgebildet, dass sie sich auf der Seite der ersten Ladungsübertragungsregion 24 der Photogate-Elektrode 41 befindet. Die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 ist in einer Region angeordnet, der an der ersten Ladungsübertragungsregion 24 in der Ladungssammelregion 23 angrenzt. Die erste Transfer-Gate-Elektrode 43 ist auf der ersten Seite der Ladungssammelregion 23 in der Elektrodenschicht 40 so ausgebildet, dass sie sich auf der Seite der ersten Ladungsübertragungsregion 25 der Photogate-Elektrode 41 befindet. Die erste Transfer-Gate-Elektrode 43 ist in einer Region angeordnet, der an die erste Ladungsübertragungsregion 25 in der Ladungssammelregion 23 angrenzt. Jede der ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 besteht aus einem Material mit Leitfähigkeit und Lichtdurchlässigkeit (z.B. Polysilizium). Beispielsweise hat jede der ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 eine rechteckige Form mit zwei Seiten, die einander in X-Richtung zugewandt sind, und zwei Seiten, die einander in Y-Richtung zugewandt sind, wenn in Z-Richtung betrachtet.
Die zweite Transfer-Gate-Elektrode 44 ist auf der ersten Seite der Ladungssammelregion 23 in der Elektrodenschicht 40 so ausgebildet, dass sie sich auf der Seite der zweiten Ladungsübertragungsregion 26 der Photogate-Elektrode 41 befindet. Die zweite Transfer-Gate-Elektrode 44 ist in einer Region angeordnet, der an die zweiten Ladungsübertragungsregion 26 in der Ladungssammelregion 23 angrenzt. Die zweite Transfer-Gate-Elektrode 45 ist auf der ersten Seite der Ladungssammelregion 23 in der Elektrodenschicht 40 so ausgebildet, dass sie sich auf der Seite der zweiten Ladungsübertragungsregion 27 der Photogate-Elektrode 41 befindet. Die zweite Transfer-Gate-Elektrode 45 ist in einer Region angeordnet, der an die zweiten Ladungsübertragungsregion 27 in der Ladungssammelregion 23 angrenzt. Jede der zweiten Transfer-Gate-Elektroden 44 und 45 besteht aus einem Material mit Leitfähigkeit und Lichtdurchlässigkeit (z.B. Polysilizium). Beispielsweise hat jede der zweiten Transfer-Gate-Elektroden 44 und 45 eine rechteckige Form mit zwei Seiten, die einander in X-Richtung zugewandt sind, und zwei Seiten, die einander in Y-Richtung zugewandt sind, wenn in Z-Richtung betrachtet.
Der Entfernungsmesser-Bildsensor 10A enthält ferner eine Gegenelektrode 50 und eine Verdrahtungsschicht 60 im Pixelteil 11. Die Gegenelektrode 50 ist auf der zweiten Oberfläche 20b der Halbleiterschicht 20 vorgesehen. Die Gegenelektrode 50 enthält eine Vielzahl von Pixeln 11a, wenn man sie in Z-Richtung betrachtet. Die Gegenelektrode 50 ist der Elektrodenschicht 40 in der Z-Richtung zugewandt. Die Gegenelektrode 50 besteht z.B. aus einem Metallmaterial. Die Verdrahtungsschicht 60 ist auf der ersten Oberfläche 20a der Halbleiterschicht 20 vorgesehen, so dass sie die Elektrodenschicht 40 bedeckt. Die Verdrahtungsschicht 60 ist elektrisch mit jedem Pixel 11a und dem CMOS-Leseschaltungsteil 12 verbunden (siehe 1). In einem Bereich der Verdrahtungsschicht 60, der der Photogate-Elektrode 41 jedes Pixels 11a zugewandt ist, ist eine Lichteinfallsöffnung 60a ausgebildet.
In der Halbleiterschicht 20 wird ein Graben 29 gebildet, um benachbarte Pixel 11a voneinander zu trennen. Der Graben 29 ist auf der ersten Oberfläche 20a der Halbleiterschicht 20 ausgebildet. Eine Bodenfläche 29a des Grabens 29 befindet sich auf der zweiten Seite der Lawinen-Multiplikationsregion 22. Das heißt, der Graben 29 trennt die Lawinen-Multiplikationsregion 22 vollständig ab.
In dem Graben 29 ist ein isolierendes Material 47, wie z. B. Siliziumoxid, angeordnet. Anstelle des isolierenden Materials 47 kann auch ein metallisches Material wie Wolfram, Polysilizium usw. in den Graben 29 eingebracht werden.
In jedem Pixel 11a erreicht die Lawinen-Multiplikationsregion 22 den Graben 29. Die Lawinen-Multiplikationsregion 22 ist eine Region, die eine Lawinen-Multiplikation verursacht. Das heißt, in jedem Pixel 11a erstreckt sich die Lawinen-Multiplikationsregion 22, die eine elektrische Feldstärke von 3× 10⁵ bis 4× 10⁵ V/cm erzeugen kann, wenn eine Sperrvorspannung mit einem vorbestimmten Wert angelegt wird, über den gesamten von dem Graben 29 umgebenen Bereich.
[Details der Lawinen-Multiplikationsregion]
Sowohl die erste Multiplikationsregion 71 als auch die zweite Multiplikationsregion 72 erstrecken sich bis zum Graben 29 und überlappen die Ladungssammelregion 23 und die Wannenregion 31 in der Z-Richtung. Die Konzentration der p-Typ-Verunreinigungen in der ersten Multiplikationsregion 71 ist in der gesamten ersten Multiplikationsregion 71 gleichmäßig. Die Konzentration der p-Typ-Verunreinigungen in der ersten Multiplikationsregion 71 beträgt z. B. 1× 10¹⁶ cm^-3 oder mehr.
Die zweite Multiplikationsregion 72 hat einen ersten Bereich 72a und einen zweiten Bereich 72b, in denen die Konzentrationen der n-Typ-Verunreinigungen unterschiedlich sind. Der erste Bereich 72a überlappt die Ladungssammelregion 23 in der Z-Richtung, und der zweite Bereich 72b überlappt die Wannenregion 31 in der Z-Richtung. Der erste Bereich 72a befindet sich in Z-Richtung gesehen innerhalb der Wannenregion 31 und der Barriereregion 34 und überlappt die Wannenregion 31 und die Barriereregion 34 in Z-Richtung nicht.
Der zweite Bereich 72b schließt sich an den ersten Bereich 72a an und umgibt den ersten Bereich 72a, wenn man ihn in Z-Richtung betrachtet. Ein Bereich (innerer Bereich) des zweiten Bereichs 72b auf der Seite des ersten Bereichs 72a überlappt mit der Ladungssammelregion 23 in der Z-Richtung. Der gesamte zweite Bereich 72b überlappt die Barriereregion 34 in der Z-Richtung. In Z-Richtung betrachtet, fällt eine Grenze zwischen dem ersten Bereich 72a und dem zweiten Bereich 72b mit einer Grenze zwischen der Ladungssammelregion 23 und der Barriereregion 34 (einer Innenkante der Barriereregion 34) zusammen.
Die Konzentration der n-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 72a ist höher als die Konzentration der n-Typ-Verunreinigungen im zweiten Bereich 72b. Beispielsweise beträgt die Konzentration der n-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 72a 1×10¹⁶ oder mehr, und die Konzentration der n-Typ-Verunreinigungen im zweiten Bereich 72b beträgt 1×10¹⁶ oder mehr. Die Konzentration der n-Typ-Verunreinigungen im zweiten Bereich 72b ist hoch genug, um das Auftreten einer Situation (punch-through) zu verhindern, in der ein Strom zwischen der Lawinen-Multiplikationsregion 22 und der Wannenregion 31 fließt, weil die Verarmungsschicht die Wannenregion 31 erreicht, wenn eine Spannung angelegt wird. Die Lawinen-Multiplikationsregion 22 wird beispielsweise dadurch gebildet, dass Verunreinigungen vom n-Typ zusätzlich nur in den ersten Bereich 72a injiziert werden, nachdem eine Region mit einer Konzentration von Verunreinigungen vom n-Typ gleich der Konzentration von Verunreinigungen vom n-Typ im zweiten Bereich 72b gleichmäßig gebildet wurde.
[Betriebsbeispiel eines Photodetektors]
In jedem Pixel 11a des Entfernungsmesser-Bildsensors 10A wird eine negative Spannung (z.B. -50 V) an die Gegenelektrode 50 in Bezug auf ein Potential der Photogate-Elektrode 41 angelegt (d.h. eine Sperrvorspannung wird an einen in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 gebildeten pn-Übergang angelegt), um eine elektrische Feldstärke von 3× 10⁵ bis 4× 10⁵ V/cm in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 zu erzeugen. Wenn in diesem Zustand das gepulste Licht L durch die Lichteinfallsöffnung 60a und die Photogate-Elektrode 41 auf die Halbleiterschicht 20 einfällt, werden die durch Absorption des gepulsten Lichts L erzeugten Elektronen in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 vervielfacht und bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit zur Ladungssammelregion 23 (werden in der Ladungssammelregion 23 gesammelt).
Bei der Erzeugung eines Abstandsbildes des Objekts OJ (siehe 1) wird zunächst an jedem Pixel 11a eine Rücksetzspannung an jedes Paar der zweiten Transfer-Gate-Elektroden 44 und 45 angelegt. Die Rücksetzspannung ist eine positive Spannung in Bezug auf das Potenzial der Photogate-Elektrode 41. Infolgedessen werden die zur Ladungssammelregion 23 bewegten Elektronen aus dem Paar der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 und 27 entladen.
Anschließend wird ein Impulsspannungssignal an jede der beiden ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 angelegt. Beispielsweise ist das an die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 angelegte Impulsspannungssignal ein Spannungssignal, bei dem eine positive Spannung und eine negative Spannung in Bezug auf das Potential der Photogate-Elektrode 41 abwechselnd wiederholt werden, und es ist ein Spannungssignal mit der gleichen Periode, Impulsbreite und Phase wie die eines Intensitätssignals des von der Lichtquelle 2 emittierten gepulsten Lichts (siehe 1). Das Impulsspannungssignal, das an die erste Transfer-Gate-Elektrode 43 angelegt wird, ist das gleiche Spannungssignal wie das Impulsspannungssignal, das an die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 angelegt wird, außer dass die Phase um 180° verschoben ist.
Infolgedessen werden die in der Ladungssammelregion 23 gesammelten Elektronen abwechselnd mit hoher Geschwindigkeit auf das Paar der ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 übertragen (auf das Paar der ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 verteilt). Die Elektronen, die in den ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 durch Übertragung für eine vorbestimmte Periode akkumuliert werden, werden als Signal über die Verdrahtungsschicht 60 und die Leseschaltung, die die Wannenregion 31 usw. enthält, an den CMOS-Leseschaltungsteil 12 (1) übertragen.
Wie in 1 dargestellt, wird, wenn das gepulste Licht L von der Lichtquelle 2 emittiert wird und das gepulste Licht L, das von dem Objekt OJ reflektiert wird, von dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10A erfasst wird, eine Phase des Intensitätssignals des gepulsten Lichts L, das von dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10A erfasst wird, von einer Phase des Intensitätssignals des gepulsten L, das von der Lichtquelle 2 emittiert wird, entsprechend dem Abstand d zu dem Objekt OJ verschoben. Daher kann ein Entfernungsbild des Objekts OJ durch Erfassen eines Signals auf Basis der in jeder der ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 für jedes Pixel 11a angesammelten Elektronen erzeugt werden.
[Funktion und Wirkung]
In dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10A hat die zweite Multiplikationsregion 72 den ersten Bereich 72a, der die Ladungssammelregion 23 in der Z-Richtung (der Dickenrichtung der ersten Multiplikationsregion 71 und der zweiten Multiplikationsregion 72) überlappt, und den zweiten Bereich 72b, der die Wannenregion 31 (die erste leitende Region) in der Z-Richtung überlappt, und die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen in dem ersten Bereich 72a ist höher als die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen in dem zweiten Bereich 72b. Auf diese Weise kann die Verarmungsschicht im ersten Bereich 72a leicht erweitert werden, und das elektrische Feld, das in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, kann vereinheitlicht werden.
Dieser Punkt wird unter Bezugnahme auf die 5 und 6 näher beschrieben. 5 und 6 zeigen Simulationsergebnisse, wenn die Konzentrationen von n-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 72a und im zweiten Bereich 72b der zweiten Multiplikationsregion 72 im Gegensatz zum Entfernungsmesser-Bildsensor 10A gleich sind. Die 5(a), 5(b), 6(a) und 6(b) zeigen die elektrischen Felder, die in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 erzeugt werden, wenn an der Gegenelektrode 50 Spannungen von 30 V, 40 V, 50 V bzw. 60 V angelegt werden. In jeder Figur ist eine Begrenzung (Äquipotentiallinie) B der Verarmungsschicht durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass ein Bereich der Lawinen-Multiplikationsregion 22, der die Ladungssammelregion 23 in Z-Richtung überlappt, als der erste Bereich 22a und ein Bereich der Lawinen-Multiplikationsregion 22, die die Wannenregion 31 in Z-Richtung überlappt, als der zweite Bereich 22b bezeichnet wird.
Wie in 5(a) dargestellt, ist die Grenze B der Verarmungsschicht bei einer angelegten Spannung von 30 V nahezu flach. Wie in 5(b) dargestellt, beginnt bei einem Anstieg der angelegten Spannung auf 40 V ein Unterschied in der Form der Verarmungsschicht zwischen dem ersten Bereich 22a und dem zweiten Bereich 22b aufzutreten. Im zweiten Bereich 22b ist die Verarmungsschicht im Vergleich zum ersten Bereich 22a stark erweitert, und das elektrische Feld im zweiten Bereich 22b ist höher als das elektrische Feld im ersten Bereich 22a.
Wie in 6(a) dargestellt, dringt die im zweiten Bereich 22b gebildete Verarmungsschicht in den ersten Bereich 22a vor, wenn die angelegte Spannung auf 50 V ansteigt. Außerdem nimmt das elektrische Feld im zweiten Bereich 22b weiter zu. Der erste Bereich 22a wird nicht verarmt und das elektrische Feld bleibt niedrig. Wie in 6(b) dargestellt, kommt es bei einer Erhöhung der angelegten Spannung auf 60 V zu einem gemeinsamen Bruch im zweiten Bereich 22b, bevor der erste Bereich 22a erschöpft ist, und ein Strom C fließt zwischen der Lawinen-Multiplikationsregion 22 und der Wannenregion 31. Man beachte, dass sich der Verbindungsbruch auf den Lawinen-Durchbruch bezieht, der durch Anlegen einer hohen Sperrvorspannung an den pn-Übergang verursacht wird.
Wie oben beschrieben, wird das elektrische Feld, das in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, ungleichmäßig, wenn die Konzentrationen von n-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 72a und im zweiten Bereich 72b der zweiten Multiplikationsregion 72 gleich sind, und es besteht die Sorge, dass ein Verbindungsbruch auftreten kann, wenn die angelegte Spannung in dem Maße erhöht wird, dass eine Lawinen-Multiplikation auftritt. Andererseits ist im Entfernungsmesser-Bildsensor 10A die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 72a höher als die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen im zweiten Bereich 72b, und daher kann die Verarmungsschicht im ersten Bereich 72a leicht ausgedehnt werden, und das elektrische Feld, das in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, kann gleichförmig (planarisiert) sein. Infolgedessen ist es selbst dann, wenn die angelegte Spannung in dem Maße erhöht wird, dass eine Lawinenvervielfachung auftritt, möglich, das Auftreten eines Verbindungsbruchs im zweiten Bereich 72b zu verhindern.
Die erste Multiplikationsregion 71 überlappt die Ladungssammelregion 23 und die Wannenregion 31 in der Z-Richtung. Auf diese Weise können die Fläche der ersten Multiplikationsregion 71 sichergestellt und eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden.
Die erste Multiplikationsregion 71 und die zweite Multiplikationsregion 72 erreichen den Graben 29, der ausgebildet ist, um die Vielzahl von Pixeln 11a voneinander zu trennen. Auf diese Weise wird eine hohe Empfindlichkeit in jedem Pixel 11a in einem Zustand realisiert, in dem Variationen in der Lichtempfangsempfindlichkeit zwischen der Vielzahl von Pixeln 11a und Variationen in der Lichtempfangsempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Position in einem Pixel 11a unterdrückt werden. Infolgedessen kann die Lichtempfangsempfindlichkeit in jedem Pixel 11a gleichmäßig verbessert werden.
Der erste Bereich 72a überlappt die Wannenregion 31 in Z-Richtung nicht. Auf diese Weise ist es möglich, das Auftreten einer Situation (Punch-Through) zu verhindern, in der ein Strom zwischen der Lawinen-Multiplikationsregion 22 und der Wannenregion 31 fließt, weil die Verarmungsschicht die Wannenregion 31 erreicht, wenn eine Spannung angelegt wird.
Die Wannenregion 31 ist in einer Schaltung (Pixelschaltung) enthalten. Die Wannenregion 31 ist auch eine Trennregion, die an einem Grenzbereich zwischen der Vielzahl von Pixeln 11a vorgesehen ist. Gemäß dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10A kann das elektrische Feld in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 auch dann gleichförmig sein, wenn eine solche Wannenregion 31 vorgesehen ist.
Die Wannenregion 31 umgibt die Ladungssammelregion 23, wenn man sie in Z-Richtung betrachtet. Gemäß dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10A kann das elektrische Feld in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 auch dann gleichförmig sein, wenn eine solche Wannenregion 31 vorgesehen ist.
Der Entfernungsmesser-Bildsensor 10A umfasst die ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 und die zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 und 27, die auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion 72 angeordnet und mit der Ladungssammelregion 23 verbunden sind, und die ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 und die zweiten Transfer-Gate-Elektroden 44 und 45, die auf Regionen neben den ersten Ladungstransferregionen 24 und 25 bzw. den zweiten Ladungstransferregionen 26 und 27 in der Ladungssammelregion 23 angeordnet sind. Auf diese Weise können die in der Ladungssammelregion 23 gesammelten Ladungen mit hoher Geschwindigkeit zu den ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 und den zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 und 27 übertragen werden.
[Erstes modifiziertes Beispiel]
Ein Entfernungsmesser-Bildsensor 10B gemäß einem ersten modifizierten Beispiel, das in den 7 und 8 dargestellt ist, unterscheidet sich von dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10A hauptsächlich dadurch, dass zweite Ladungsübertragungsregionen 26a, 26b, 27a und 27b auf beiden Seiten der Ladungssammelregion 23 in der X-Richtung angeordnet sind und eine Vielzahl von zweiten Übertragungs-Gate-Elektroden 44a, 44b, 45a und 45b auf beiden Seiten der Photogate-Elektrode 41 in der X-Richtung angeordnet ist.
In jedem Pixel 11a des Entfernungsmesser-Bildsensors 10B ist das Paar der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26a und 26b auf einer Seite der Ladungssammelregion 23 in der X-Richtung und auf beiden Seiten der ersten Ladungsübertragungsregion 24 in der Y-Richtung angeordnet. Das Paar der zweiten Ladungsübertragungsregionen 27a und 27b ist auf der anderen Seite der Ladungssammelregion 23 in der X-Richtung und auf beiden Seiten der ersten Ladungsübertragungsregion 25 in der Y-Richtung angeordnet. Die zweite Transfer-Gate-Elektrode 44a ist zwischen der Photogate-Elektrode 41 und der zweiten Ladungsübertragungsregion 26a angeordnet, wenn man in Z-Richtung schaut. Die zweite Transfer-Gate-Elektrode 44b ist zwischen der Photogate-Elektrode 41 und der zweiten Ladungsübertragungsregion 26b angeordnet, Bei Sicht in Z-Richtung. Die zweite Transfer-Gate-Elektrode 45a ist zwischen der Photogate-Elektrode 41 und der zweiten Ladungsübertragungsregion 27a angeordnet, bei Sicht in Z-Richtung. Die zweite Transfer-Gate-Elektrode 45b ist zwischen der Photogate-Elektrode 41 und der zweiten Ladungsübertragungsregion 27b angeordnet, bei Sicht in Z-Richtung.
In der zweiten Multiplikationsregion 72 des Entfernungsmesser-Bildsensors 10B ist die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 72a höher als die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen im zweiten Bereich 72b, ähnlich wie beim oben erwähnten Entfernungsmesser-Bildsensor 10A. Infolgedessen kann die Verarmungsschicht leicht in dem ersten Bereich 72a erstreckt werden, und das elektrische Feld, das in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, kann vereinheitlicht werden.
[Zweites modifiziertes Beispiel]
Ein Entfernungsmesser-Bildsensor 10C gemäß einem in 9, 10 und 11 dargestellten zweiten modifizierten Beispiels unterscheidet sich im Wesentlichen von dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10A dadurch, dass die erste Ladungsübertragungsregion 24 in der Mitte der Ladungssammelregion 23 angeordnet ist, eine Vielzahl von zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 entlang einer Außenkante der Ladungssammelregion 23 angeordnet ist, die Photogate-Elektrode 41 und die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 ringförmig ausgebildet sind, eine Vielzahl von zweiten Transfer-Gate-Elektroden 44 so angeordnet ist, dass sie die Photogate-Elektrode 41 umgeben, und der Graben 29 nicht in der Halbleiterschicht 20 ausgebildet ist und die Lawinen-Multiplikationsregion 22 mit der Vielzahl von Pixeln 11a verbunden ist.
In jedem Pixel 11a des Entfernungsmesser-Bildsensors 10C ist die erste Ladungsübertragungsregion 24 in der Mitte der Ladungssammelregion 23 angeordnet, bei Sicht in Z-Richtung. Die Vielzahl der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 ist entlang der Außenkante der Ladungssammelregion 23 angeordnet, bei Sicht in Z-Richtung. Jede der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 wird von zwei benachbarten Pixeln 11a gemeinsam genutzt. Die Photogate-Elektrode 41 hat, in Z-Richtung gesehen, beispielsweise eine rechteckige Ringform und ist außerhalb der ersten Ladungsübertragungsregion 24 und innerhalb der Vielzahl der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 angeordnet. Die erste Transfer-Gate-Elektrode 42 hat, in Z-Richtung gesehen, beispielsweise eine rechteckige Ringform und ist außerhalb der ersten Ladungsübertragungsregion 24 und innerhalb der Photogate-Elektrode 41 angeordnet. Jede der zweiten Transfer-Gate-Elektroden 44 ist in Z-Richtung gesehen zwischen der Photogate-Elektrode 41 und jeder der zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 angeordnet.
In jedem Pixel 11a des Entfernungsmesser-Bildsensors 10C befinden sich die Wannenregion 31 und die Barriereregion 34 auf Schnittpunkten einer Vielzahl von virtuellen Linien, die in einem Gittermuster angeordnet sind, um die Vielzahl von Pixeln 11a bei Betrachtung in Z-Richtung zu unterteilen. Daher ist der Graben 29 nicht in der Halbleiterschicht 20 ausgebildet, und die erste Multiplikationsregion 71 und die zweite Multiplikationsregion 72 der Lawinen-Multiplikationsregion 22 sind über die Vielzahl der Pixel 11a verbunden. In diesem Beispiel haben die Wannenregion 31 und die Barriereregion 34 eine rechteckige Form mit zwei Seiten, die einander in X-Richtung zugewandt sind, und zwei Seiten, die einander in Y-Richtung zugewandt sind, bei Sicht in Z-Richtung. Die Wannenregion 31 umgibt die Ladungssammelregion 23 nicht, bei Sicht in Z-Richtung. Der zweite Bereich 72b der zweiten Multiplikationsregion 72 umgibt den ersten Bereich 72a nicht, bei Sicht in Z-Richtung.
In der zweiten Multiplikationsregion 72 des Entfernungsmesser-Bildsensors 10C ist die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 72a höher als die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen im zweiten Bereich 72b, ähnlich wie beim oben erwähnten Entfernungsmesser-Bildsensor 10A. Auf diese Weise kann die Verarmungsschicht im ersten Bereich 72a leicht erweitert werden, und das elektrische Feld, das in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, kann vereinheitlicht werden.
In dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10C ist jede der ersten Multiplikationsregionen 71 und der zweiten Multiplikationsregionen 72 über die Vielzahl von Pixeln 11a verbunden. Auf diese Weise wird eine hohe Empfindlichkeit in jedem Pixel 11a in einem Zustand realisiert, in dem Variationen in der Lichtempfangsempfindlichkeit zwischen der Vielzahl von Pixeln 11a und Variationen in der Lichtempfangsempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Position in einem Pixel 11a unterdrückt werden. Infolgedessen kann die Lichtempfangsempfindlichkeit in jedem Pixel 11a gleichmäßig verbessert werden.
Es ist zu beachten, dass im Entfernungsmesser-Bildsensor 10C die Senkenregion 35 (siehe 3) nicht in der Halbleiterschicht 20 ausgebildet ist. Ein Grund dafür ist, dass im Entfernungsmesser-Bildsensor 10C die Barriereregion 34 im Vergleich zum oben erwähnten Entfernungsmesser-Bildsensor 10A von der ersten Ladungsübertragungsregion 24 getrennt ist, und als Ergebnis treten Elektronen, die um die Barriereregion 34 herum gesammelt werden, selten in den ersten Ladungsübertragungsregion 24 ein.
[Drittes modifiziertes Beispiel]
Ein Entfernungsmesser-Bildsensor 10D gemäß einem dritten modifizierten Beispiel, das in 12 dargestellt ist, unterscheidet sich von dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10A hauptsächlich dadurch, dass die erste Multiplikationsregion 71 nicht über die Vielzahl von Pixeln 11a verbunden ist und nicht bis zum Graben 29 reicht. Das heißt, dass die erste Multiplikationsregion 71 für jedes Pixel 11a separat vorgesehen ist. Die erste Multiplikationsregion 71 überlappt die Ladungssammelregion 23 in der Z-Richtung und überlappt nicht die Wannenregion 31.
In der zweiten Multiplikationsregion 72 des Entfernungsmesser-Bildsensors 10D ist die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 72a höher als die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen im zweiten Bereich 72b, ähnlich wie im oben erwähnten Entfernungsmesser-Bildsensor 10A. Auf diese Weise kann die Verarmungsschicht im ersten Bereich 72a leicht erweitert werden, und das elektrische Feld, das in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, kann vereinheitlicht werden.
In dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10D überlappt die erste Multiplikationsregion 71 die Wannenregion 31 in Z-Richtung nicht. Auf diese Weise ist es beim Anlegen einer Spannung weniger wahrscheinlich, dass sich die im ersten Bereich 72a der zweiten Multiplikationsregion 72 gebildete Verarmungsschicht in Richtung der Wannenregion 31 erstreckt, und die Verarmungsschicht wird daran gehindert, die Wannenregion 31 zu erreichen. Das heißt, es ist möglich zu verhindern, dass ein Strom zwischen der Lawinen-Multiplikationsregion 22 und der Wannenregion 31 fließt, weil die Verarmungsschicht die Wannenregion 31 erreicht.
[Viertes modifiziertes Beispiel]
Ein Entfernungsmesser-Bildsensor 10E gemäß einem vierten modifizierten Beispiel, das in 13 dargestellt ist, unterscheidet sich hauptsächlich in den folgenden Punkten von dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10A. Das heißt, dass in dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10E die ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 in Wannenregionen 31 eingebettet sind. Die ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 sind in den Wannenregionen 31 ausgebildet und durch die Wannenregionen 31 von der Ladungssammelregion 23 getrennt. Die ersten Transfer-Gate-Elektroden 42 und 43 sind in einer Region angeordnet, der an die ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25 in den Wannenregionen 31 angrenzt.
Der erste Bereich 72a der zweiten Multiplikationsregion 72 überlappt die Ladungssammelregion 23 in Z-Richtung und überlappt nicht die Wannenregionen 31. Der zweite Bereich 72b überlappt die Wannenregion 31 und die Barriereregion 34 in der Z-Richtung. Der zweite Bereich 72b umgibt die Ladungssammelregion 23, wenn er in Z-Richtung betrachtet wird, und überlappt die Ladungssammelregion 23 in Z-Richtung nicht. Die Ladungssperrregion 28 ist nicht vorgesehen.
Der Entfernungsmesser-Bildsensor 10E enthält eine Zwischenregion 81, der zwischen der Ladungssammelregion 23 und der Photogate-Elektrode 41 in der Halbleiterschicht 20 angeordnet ist. Die Zwischenregion 81 ist z.B. eine p-Typ-Region mit einer Ladungsträgerkonzentration von 5× 10¹⁵ cm^-3 oder mehr. Die Ladungsträgerkonzentration in der Zwischenregion 81 ist höher als die Ladungsträgerkonzentration in der Ladungssammelregion 23. Die Zwischenregion 81 ist in einer Schichtform entlang einer Richtung senkrecht zur Z-Richtung ausgebildet und erstreckt sich zwischen den Wannenregionen 31.
In der zweiten Multiplikationsregion 72 des Entfernungsmesser-Bildsensors 10E ist die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 72a höher als die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen im zweiten Bereich 72b, ähnlich wie beim oben erwähnten Entfernungsmesser-Bildsensor 10A. Auf diese Weise kann die Verarmungsschicht im ersten Bereich 72a leicht ausgedehnt werden, und das elektrische Feld, das in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, kann vereinheitlicht werden. Ferner ist die Zwischenregion 81 zwischen der Ladungssammelregion 23 und der Photogate-Elektrode 41 angeordnet. Auf diese Weise kann die Erzeugung von Dunkelstrom um die Photogate-Elektrode 41 unterdrückt werden.
[Fünftes modifiziertes Beispiel]
In einem Bildsensor 10F gemäß einem fünften modifizierten Beispiel, das in den 14 und 15 dargestellt ist, hat jedes Pixel 11a nicht die ersten Ladungsübertragungsregionen 24 und 25, die zweiten Ladungsübertragungsregionen 26 und 27, die Ladungssperrregion 28, die LOCOS-Region 33, die Barriereregion 34 und die Senkenregion 35, und hat eine Halbleiterregion 36 und eine Leseregion 37.
Die Halbleiterregion 36 ist eine p-Typ-Region und wird auf der ersten Seite der Lawinen-Multiplikationsregion 22 die zweite Multiplikationsregion 72 in der Halbleiterschicht 20 gebildet. Die Halbleiterregion 36 ist zum Beispiel eine p-Typ-Region mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1× 10¹⁵ cm^-3 oder weniger. Die Ladungssammelregion 23 ist mit Ausnahme der Seite der ersten Oberfläche 20a von dem Halbleiterbereich 36 bedeckt.
Die Leseregion 37 ist eine n-Typ-Region und wird entlang der ersten Oberfläche 20a in der Mitte der Ladungssammelregion 23, in Z-Richtung gesehen, gebildet. Als Beispiel beträgt die Verunreinigungskonzentration der Leseregion 37 1× 10¹⁶ cm^-3 oder mehr, und seine Dicke beträgt etwa 0,5µ m.
Die Wannenregion 31 ist in der Ladungssammelregion 23 ausgebildet, um die erste Oberfläche 20a zu erreichen, und wird von der Ladungssammelregion 23 mit Ausnahme der Seite der ersten Oberfläche 20a abgedeckt. Die Wannenregion 31 ist in einem Bereich einer Pixelschaltung 90 enthalten. Die Pixelschaltung 90 ist ein n-Typ-MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) mit einem Paar von Kanalbereichen (Source-Bereich und Drain-Bereich) 91 und einer Gate-Elektrode 92, die in dem Wannenbereich 31 ausgebildet ist. Die Pixelschaltung 90 ist in einem Transistor zum Lesen einer Signalladung, die über den Lesebereich 37 in die Ladungssammelregion 23 fließt, einem Verstärkungstransistor, einem Rücksetztransistor usw. enthalten. Die Pixelschaltung 90 kann ein JFET (Sperrschicht-Feldeffekttransistor), ein bipolarer Transistor etc. sein.
Der Bildsensor 10F enthält nicht die Elektrodenschicht 40. Eine Verdrahtungsschicht 60 des Bildsensors 10F hat eine Isolierschicht 61, eine Vielzahl von Verdrahtungen 62 und eine Vielzahl von Kontaktpropfen („Plugs“) 63. Die Vielzahl von Leitungen 62 und die Vielzahl von Kontaktpropfen 63 sind in der Isolierschicht 61 ausgebildet. Der Lesebereich 37 ist über einen Kontaktpropfen 63 elektrisch mit einer entsprechenden Verdrahtung 62 verbunden. Jeder Teil der Pixelschaltung 90 ist über den Kontaktpropfen 63 elektrisch mit der entsprechenden Verdrahtung 62 verbunden. Jede Verdrahtung 62 ist z.B. mit einem Leseschaltungsteil des Bildsensors 10F elektrisch verbunden.
Der Graben 29 ist so ausgebildet, dass er die Halbleiterregion 36 durchdringt. Ein Ende des Grabens 29 befindet sich innerhalb der Isolierschicht 61 der Verdrahtungsschicht 60. Das andere Ende des Grabens 29 befindet sich innerhalb der zweiten Multiplikationsregion 72 der Lawinen-Multiplikationsregion 22. Das heißt, der Graben 29 trennt die Lawinen-Multiplikationsregion 22 nicht vollständig ab. Der Graben 29 wird z. B. durch STI gebildet.
In dem Bildsensor 10F ist die Gegenelektrode 50 aus einem Material mit Lichtdurchlässigkeit hergestellt, und Licht fällt über die Gegenelektrode 50 auf die Halbleiterschicht 20. Eine in der Halbleiterschicht 20 erzeugte Ladung wird in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 multipliziert, und eine multiplizierte Signalladung fließt in die Ladungssammelregion 23 und wird von der Vielzahl von Pixelschaltungen 90 über den Lesebereich 37 gelesen. Der Bildsensor 10F ist ein optischer Sensor, der im Gegensatz zum oben beschriebenen Entfernungsmesser-Bildsensor 10A das von der Lichtquelle 2 emittierte und vom Objekt OJ reflektierte gepulste Licht L nicht erfasst und von außen kommendes Licht detektiert. Man beachte, dass der Bildsensor 10F so konfiguriert sein kann, dass das Licht von der ersten Seite anstatt von der zweiten Seite einfällt. In diesem Fall muss die Gegenelektrode 50 nicht lichtdurchlässig sein.
Im Bildsensor 10F ist sowohl die erste Multiplikationsregion 71 als auch die zweite Multiplikationsregion 72 über die Vielzahl der Pixel 11a verbunden. Der erste Bereich 72a der zweiten Multiplikationsregion 72 überlappt einen Bereich der Ladungssammelregion 23, der sich zwischen den Wannenregionen 31 befindet. Der erste Bereich 72a überlappt die Wannenregion 31 nicht in Z-Richtung. Der zweite Bereich 72b überlappt die Wannenregion 31 in Z-Richtung und umgibt den ersten Bereich 72a, wenn er in Z-Richtung betrachtet wird. Der zweite Bereich 72b überlappt einen äußeren Bereich der Ladungssammelregion 23 in der Z-Richtung. In Z-Richtung betrachtet, koinzidiert eine Grenze zwischen dem ersten Bereich 72a und dem zweiten Bereich 72b mit einer Grenze zwischen der Ladungssammelregion 23 und der Wannenregion 31 (einer Innenkante der Wannenregion 31).
In der zweiten Multiplikationsregion 72 des Entfernungsmesser-Bildsensors 10F ist die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 72a höher als die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen im zweiten Bereich 72b, ähnlich wie beim oben erwähnten Entfernungsmesser-Bildsensor 10A. Auf diese Weise kann die Verarmungsschicht im ersten Bereich 72a leicht erweitert werden, und das elektrische Feld, das in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, kann vereinheitlicht werden.
[Sechstes modifiziertes Beispiel]
Ein Entfernungsmesser-Bildsensor 10G eines sechsten modifizierten Beispiels, das in 16 dargestellt ist, unterscheidet sich hauptsächlich in den folgenden Punkten von dem oben erwähnten Entfernungsmesser-Bildsensor 10A. Das heißt, dass die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen in der zweiten Multiplikationsregion 72 in der gesamten zweiten Multiplikationsregion 72 gleichmäßig ist. Die Konzentration der n-Typ-Verunreinigungen in der zweiten Multiplikationsregion 72 beträgt beispielsweise 1× 10¹⁶ cm^-3 oder mehr.
Die erste Multiplikationsregion 71 hat einen ersten Bereich 71a und einen zweiten Bereich 71b, in denen die Konzentrationen von p-Typ-Verunreinigungen unterschiedlich sind. Der erste Bereich 71a überlappt die Ladungssammelregion 23 in der Z-Richtung, und der zweite Bereich 71b überlappt die Wannenregion 31 in der Z-Richtung. Der erste Bereich 71a befindet sich in Z-Richtung gesehen innerhalb der Wannenregion 31 und der Barriereregion 34 und überlappt die Wannenregion 31 und die Barriereregion 34 in Z-Richtung nicht.
Der zweite Bereich 71b schließt sich an den ersten Bereich 71a an und umgibt den ersten Bereich 71a, wenn man ihn in Z-Richtung betrachtet. Ein Bereich (innerer Bereichs) des zweiten Bereichs 71b auf der Seite des ersten Bereichs 71a überlappt die Ladungssammelregion 23 in der Z-Richtung. Der gesamte zweite Bereich 71b überlappt die Barriereregion 34 in der Z-Richtung. In Z-Richtung betrachtet, fällt eine Grenze zwischen dem ersten Bereich 71a und dem zweiten Bereich 71b mit einer Grenze zwischen der Ladungssammelregion 23 und der Barriereregion 34 (der Innenkante der Barriereregion 34) zusammen.
Die Konzentration der p-Typ-Verunreinigungen im zweiten Bereich 71b ist höher als die Konzentration der p-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 71a. Beispielsweise beträgt die Konzentration der p-Typ-Verunreinigungen im zweiten Bereich 71b 1× 10¹⁶ oder mehr, und die Konzentration der p-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 71a beträgt 1× 10¹⁶ oder mehr.
In dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10G ist die Konzentration von p-Typ-Verunreinigungen im zweiten Bereich 71b höher als die Konzentration von p-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 71a. Auf diese Weise kann die Ausdehnung der Verarmungsschicht im zweiten Bereich 71b unterdrückt werden, und das elektrische Feld, das in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, kann wie im oben erwähnten Entfernungsmesser-Bildsensor 10A vereinheitlicht werden. Es ist zu beachten, dass im Entfernungsmesser-Bildsensor 10G die erste Multiplikationsregion 71 (zweiter Bereich 71b) nicht den Graben 29 erreichen muss.
Bei den oben beschriebenen Entfernungsmesser-Bildsensoren 10B, 10C und 10E und dem Bildsensor 10F kann, ähnlich wie beim Entfernungsmesser-Bildsensor 10G, die Konzentration von n-Typ-Verunreinigungen in der zweiten Multiplikationsregion 72 über die gesamte zweite Multiplikationsregion 72 gleichmäßig sein, und die Konzentration von p-Typ-Verunreinigungen im zweiten Bereich 71b kann höher sein als die Konzentration von p-Typ-Verunreinigungen im ersten Bereich 71a in der ersten Multiplikationsregion 71. Selbst in diesem Fall kann das elektrische Feld, das in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 erzeugt wird, wenn eine Spannung angelegt wird, gleichförmig sein.
Die Offenbarung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsformen und modifizierten Beispiele beschränkt. Zum Beispiel ist ein Material und eine Form jeder Konfiguration nicht auf das oben erwähnte Material und die Form beschränkt, und verschiedene Materialien und Formen können angenommen werden. Im Entfernungsmesser-Bildsensor 10A muss die zweite Multiplikationsregion 72 (der zweite Bereich 72b) nicht den Graben 29 erreichen.
Es ist ausreichend, dass der Entfernungsmesser-Bildsensor 10A eine p-Typ-Region (eine erste leitende Region mit einem ersten Leitfähigkeitstyp) aufweist, der auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion 72 angeordnet ist, und die Wannenregion 31 muss keinen Schaltkreis bilden. Zum Beispiel kann der Entfernungsmesser-Bildsensor 10A einen erste leitende Region enthalten, der eine Trennregion ist, die an einem Grenzbereich zwischen der Vielzahl von Pixeln 11a anstelle der Wannenregion 31 vorgesehen ist. In diesem Fall kann ein Substrat, auf dem eine Pixelschaltung aufgebaut ist, durch einen Draht an dem Entfernungsmesser-Bildsensor 10A angebracht oder angeschlossen werden. Dieser Punkt ist der gleiche für die Entfernungsmesser-Bildsensoren 10B bis 10E und 10G und den Bildsensor 10F.
In jedem der Entfernungsmesser-Bildsensoren 10A bis 10E und 10G ist es ausreichend, dass ein Pixel 11a mit mindestens einer ersten Ladungsübertragungsregion, mindestens einer zweiten Ladungsübertragungsregion, mindestens einer ersten Transfer-Gate-Elektrode und mindestens einer zweiten Transfer-Gate-Elektrode versehen ist, und ein Verfahren zum Anlegen von Spannungen an die erste Transfer-Gate-Elektrode und die zweite Transfer-Gate-Elektrode und ein Verfahren zum Abziehen und Entladen von Ladungen aus der ersten Ladungsübertragungsregion und der zweiten Ladungsübertragungsregion sind nicht auf die oben beschriebenen beschränkt. In jedem der Entfernungsmesser-Bildsensoren 10A bis 10E und 10G müssen die zweite Ladungssammelregion und die zweite Transfer-Gate-Elektrode nicht vorgesehen sein.
In jedem der Entfernungsmesser-Bildsensoren 10A bis 10E und 10G und dem Bildsensor 10F können die leitfähigen Typen des p-Typs und des n-Typs entgegengesetzt zu den oben beschriebenen sein. Die Mehrzahl der Pixel 11a kann eindimensional entlang der ersten Oberfläche 20a der Halbleiterschicht 20 angeordnet sein. Es kann auch nur ein einziges Pixel 11a vorgesehen sein. In jedem der Entfernungsmesser-Bildsensoren 10A bis 10E und dem Bildsensor 10F kann der erste Bereich 72a der zweiten Multiplikationsregion 72 die Wannenregion 31 in Z-Richtung überlappen. Beispielsweise kann der erste Bereich 72a so ausgebildet sein, dass eine Außenkante des ersten Bereichs 72a die Wannenregion 31 in Z-Richtung überlappt. In diesem Fall kann das elektrische Feld in der Lawinen-Multiplikationsregion 22 weiter vereinheitlicht werden. In ähnlicher Weise kann beim Entfernungsmesser-Bildsensor 10G der erste Bereich 71a der ersten Multiplikationsregion 71 die Wannenregion 31 in Z-Richtung überlappen.
Bezugszeichenliste

10A bis 10E, 10G: Entfernungsmesser-Bildsensor (optischer Sensor),
10F: Bildsensor (optischer Sensor),
11a: Pixel,
22: Lawinen-Multiplikationsregion,
23: Ladungssammelregion,
29: Graben,
31: Wannenregion (erste leitende Region),
71: erste Multiplikationsregion,
71a: erster Bereich,
71b: zweiter Bereich,
72: zweite Multiplikationsregion,
72a: erster Bereich,
72b: zweiter Bereich,
81: Zwischenregion.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017043068 A [0003]

Claims

Optischer Sensor, umfassend: eine Lawinen-Multiplikationsregion, die eine erste Multiplikationsregion mit einem ersten Leitfähigkeitstyp und eine zweite Multiplikationsregion mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp umfasst, wobei sowohl die erste Multiplikationsregion als auch die zweite Multiplikationsregion in einer Schichtform ausgebildet sind; eine Ladungssammelregion mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, der auf einer ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion angeordnet ist, wenn eine Seite, an der die zweite Multiplikationsregion in Bezug auf die erste Multiplikationsregion in einer Dickenrichtung der ersten Multiplikationsregion und der zweiten Multiplikationsregion angeordnet ist, als die erste Seite festgelegt ist; und eine erste leitende Region mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, die auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion angeordnet ist, wobei die zweite Multiplikationsregion einen ersten Bereich der die Ladungssammelregion in der Dickenrichtung überlappt, und einen zweiten Bereich, der die erste leitende Region in der Dickenrichtung überlappt, aufweist; und eine Konzentration von Verunreinigungen in dem ersten Bereich höher als eine Konzentration von Verunreinigungen in dem Bereich ist.
Optischer Sensor gemäß Anspruch 1, wobei die erste Multiplikationsregion die Ladungssammelregion und die erste leitende Region in Dickenrichtung überlappt.
Optischer Sensor, umfassend: eine Lawinen-Multiplikationsregion, die eine erste Multiplikationsregion mit einem ersten Leitfähigkeitstyp und eine zweite Multiplikationsregion mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp umfasst, wobei sowohl die erste Multiplikationsregion als auch die zweite Multiplikationsregion in einer Schichtform ausgebildet sind; eine Ladungssammelregion mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, der auf einer ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion angeordnet ist, wenn eine Seite, an der die zweite Multiplikationsregion in Bezug auf die erste Multiplikationsregion in einer Dickenrichtung der ersten Multiplikationsregion und der zweiten Multiplikationsregion angeordnet ist, als die erste Seite festgelegt ist; und eine erste leitende Region mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, der auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion angeordnet ist, wobei die erste Multiplikationsregion einen ersten Bereich, der die Ladungssammelregion in der Dickenrichtung der ersten Multiplikationsregion und der zweiten Multiplikationsregion überlappt, und einen zweiten Bereich, der die erste leitende Region in der Dickenrichtung überlappt, aufweist; und eine Konzentration von Verunreinigungen im zweiten Bereich höher ist als eine Konzentration von Verunreinigungen im ersten Bereich.
Optischer Sensor gemäß Anspruch 3, wobei die zweite Multiplikationsregion die Ladungssammelregion und die erste leitende Region in Dickenrichtung überlappt.
Optischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend eine Vielzahl von Pixeln, wobei jedes der Pixel die Lawinen-Multiplikationsregion, die Ladungssammelregion und die erste leitende Region umfasst, wobei die erste Multiplikationsregion über die Vielzahl von Pixeln verbunden ist oder einen Graben erreicht, der so ausgebildet ist, dass er die Vielzahl von Pixeln voneinander trennt.
Optischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend eine Vielzahl von Pixeln, wobei jedes der Pixel die Lawinen-Multiplikationsregion, die Ladungssammelregion und die erste leitende Region umfasst, wobei die zweite Multiplikationsregion über die Vielzahl von Pixeln verbunden ist oder einen Graben erreicht, der so ausgebildet ist, dass er die Vielzahl von Pixeln voneinander trennt.
Optischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Bereich die erste leitende Region in Richtung der Dicke nicht überlappt.
Optischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Bereich die erste leitende Region in Richtung der Dicke überlappt.
Optischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste leitende Region eine Wannenregion ist, die einen Schaltkreis bildet.
Optischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend eine Vielzahl von Pixeln, wobei jedes der Pixel die Lawinen-Multiplikationsregion, die Ladungssammelregion und die erste leitende Region umfasst, wobei die erste leitende Region eine Trennregion ist, die an einem Grenzbereich zwischen der Vielzahl von Pixeln vorgesehen ist.
Optischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erste leitende Region die Ladungssammelregion in Dickenrichtung gesehen umgibt.
Optischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner umfassend: eine Elektrode, die auf der ersten Seite der Ladungssammelregion angeordnet ist; und eine Zwischenregion mit dem ersten leitenden Typ, der zwischen der Ladungssammelregion und der Elektrode angeordnet ist.
Optischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner umfassend: eine Ladungsübertragungsregion mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, der auf der ersten Seite der zweiten Multiplikationsregion angeordnet ist; und eine Transfer-Gate-Elektrode, die in einer an die Ladungsübertragungsregion angrenzenden Region angeordnet ist.