JP2020017943A - Image pickup device - Google Patents

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秀樹 池戸
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Abstract

To provide an image pickup device of photon counting system, in which reduction in photon detection efficiency depending on the pixel position is restrained.SOLUTION: Multiple pixels are arranged in matrix in the pixel region of an image pickup device. Each pixel has an avalanche multiplication region generating avalanche multiplication by electrons generated by photoelectric conversion, and a counter circuit for counting pulses resulting from avalanche multiplication. In the plan view of each pixel arranged in the pixel region, size of the avalanche multiplication region is smaller than the size of a photoelectric conversion region, and the position of the avalanche multiplication region in at least some pixels arranged in the peripheral region of the pixel region, out of the pixels arranged in the pixel region, is formed at a position shifted from the position of the avalanche multiplication region in the pixel arranged in the central region of the pixel region.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は撮像素子に関し、特には撮像素子の構造に関する。   The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to a structure of the image sensor.

降伏電圧より大きな逆バイアス電圧を印加したアバランシェフォトダイオード(APD)をアレイ状に配置して、ある範囲に入射したフォトンの数を検出するフォトダイオードアレイが提案されている(特許文献1)。また、このようなフォトダイオードアレイをフォトンカウンティング方式の撮像素子として用いることも提案されている。   There has been proposed a photodiode array in which avalanche photodiodes (APDs) to which a reverse bias voltage higher than the breakdown voltage is applied are arranged in an array and the number of photons incident on a certain range is detected (Patent Document 1). It has also been proposed to use such a photodiode array as a photon counting type imaging device.

降伏電圧より大きな逆バイアス電圧を印加したAPDは、フォトンが入射するごとにアバランシェ増倍による光電流を発生させる。光電流の発生に伴う電圧変化をパルス信号に整形して生成したパルス信号をカウンタで計数することにより、APDに入射したフォトンの数を検出することができる。例えば露光期間中に計数されたパルスの数は露光期間中の入射光量に相当するため、カウンタの計数値を画素データとして用いることができる。電荷転送などが不要であるため、従来のCCDやCMOSイメージセンサと比較すると、回路ノイズの影響が少ない画素データを得ることができ、例えば暗所での撮影に有利である。   An APD to which a reverse bias voltage higher than the breakdown voltage is applied generates a photocurrent due to avalanche multiplication every time a photon enters. The number of photons incident on the APD can be detected by counting the pulse signal generated by shaping the voltage change accompanying the generation of the photocurrent into a pulse signal using a counter. For example, since the number of pulses counted during the exposure period corresponds to the amount of incident light during the exposure period, the count value of the counter can be used as pixel data. Since charge transfer and the like are unnecessary, pixel data less affected by circuit noise can be obtained as compared with a conventional CCD or CMOS image sensor, which is advantageous for, for example, imaging in a dark place.

APDでアバランシェ増倍を発生させる高電界領域で結晶欠陥等に起因して暗電流が発生すると、暗電流に基づくパルス信号をカウントしてしまう。フォトンの入射によってキャリアを生成する受光領域の面積は変えずに、高電界領域の面積を狭くすることにより、高電界領域内に結晶欠陥等が含まれる確率を低減し、誤検出を抑制することができる。   If a dark current occurs due to crystal defects or the like in a high electric field region where avalanche multiplication occurs in the APD, a pulse signal based on the dark current is counted. By reducing the area of the high electric field region without changing the area of the light receiving region that generates carriers by the incidence of photons, the probability that crystal defects and the like are included in the high electric field region is reduced, and false detection is suppressed. Can be.

特開2012−174783号公報JP 2012-174873 A

APDを画素としてアレイ状に配列した撮像素子を形成する場合、像高の小さい位置に配置された画素にはほぼ正面から光が入射するが、像高が大きい位置に配置された画素には斜め方向から光が入射する。つまり、画素の像高に応じて受光領域に対する光の入射角度および入射位置が異なる。これは、入射フォトンによって画素内でキャリアが発生する位置が画素の像高に応じて異なることを意味する。   In the case of forming an imaging device in which an APD is arranged as an array of pixels, light is incident from almost the front on a pixel arranged at a position with a small image height, but obliquely incident on a pixel arranged at a position with a large image height. Light enters from a direction. That is, the incident angle and the incident position of the light with respect to the light receiving region differ depending on the image height of the pixel. This means that the position where carriers are generated in the pixel due to the incident photon differs depending on the image height of the pixel.

そのため、暗電流の発生を抑制するために高電界領域の面積を狭く形成した場合、キャリアが高電界領域に到達するのに必要な移動距離や方向が、画素に応じて異なることになる。その結果、高電界領域でアバランシェ増倍を発生させるために必要な速度にキャリアを加速できない場合がある。また、高電界領域までのキャリアの移動距離が長くなる画素では、キャリアが高電界領域に到達する前に再結合して消滅する確率が増加するため、入射フォトンの検出効率が低下する原因となる。   Therefore, when the area of the high electric field region is formed small to suppress the generation of dark current, the moving distance and direction required for carriers to reach the high electric field region differ depending on the pixel. As a result, carriers may not be able to be accelerated to a speed required to cause avalanche multiplication in a high electric field region. Further, in a pixel in which the moving distance of the carrier to the high electric field region is long, the probability that the carriers recombine and disappear before reaching the high electric field region increases, which causes the detection efficiency of the incident photon to decrease. .

本発明はこのような従来技術の課題に鑑みてなされたものである。本発明は、画素の位置に依存したフォトンの検出効率低下を抑制した、フォトンカウンティング方式の撮像素子を提供することを1つの目的とする。   The present invention has been made in view of such problems of the related art. An object of the present invention is to provide a photon-counting type imaging device in which a reduction in photon detection efficiency depending on the position of a pixel is suppressed.

上述の目的は、入射光に基づく光電変換により電荷を生成する光電変換領域と、光電変換により生成された電荷によってアバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域とを有する画素を行列状に複数配置した画素領域を備え、画素領域に配列された各画素の平面視において、アバランシェ増倍領域のサイズは光電変換領域のサイズよりも小さく、画素領域に配列された画素のうち、画素領域の周辺領域に配置された少なくとの一部の画素におけるアバランシェ増倍領域の位置が、画素領域の中央領域に配置された画素におけるアバランシェ増倍領域の位置に対してずれた位置に形成される、ことを特徴とする撮像素子によって達成される。   The above object is to arrange a plurality of pixels in a matrix having a photoelectric conversion region that generates charges by photoelectric conversion based on incident light and an avalanche multiplication region that generates avalanche multiplication by charges generated by photoelectric conversion. In the planar view of each pixel arranged in the pixel region, the size of the avalanche multiplication region is smaller than the size of the photoelectric conversion region, and among the pixels arranged in the pixel region, in the peripheral region of the pixel region. The position of the avalanche multiplication region in at least some of the arranged pixels is formed at a position shifted from the position of the avalanche multiplication region in the pixel arranged in the central region of the pixel region. This is achieved by an imaging element.

このような構成により、本発明によれば、画素の位置に依存したフォトンの検出効率低下を抑制した、フォトンカウンティング方式の撮像素子を提供することができる。   With such a configuration, according to the present invention, it is possible to provide a photon counting type imaging device in which a reduction in photon detection efficiency depending on the position of a pixel is suppressed.

第1実施形態の撮像素子の全体構成例を示す図FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an overall configuration of an image sensor according to the first embodiment. 第1実施形態の単位画素の等価回路図Equivalent circuit diagram of the unit pixel of the first embodiment 第1実施形態の画素領域の概略構成図Schematic configuration diagram of a pixel region according to the first embodiment 第1実施形態のフォトダイオードの断面図Sectional view of the photodiode according to the first embodiment 第1実施形態の変形例におけるフォトダイオードの断面図Sectional view of a photodiode according to a modification of the first embodiment. 第1実施形態の別の変形例におけるフォトダイオードの断面図Sectional view of a photodiode according to another modification of the first embodiment. 第1実施形態のさらに別の変形例におけるフォトダイオードの断面図Sectional view of a photodiode according to still another modification of the first embodiment. 第2実施形態における単位画素の等価回路図Equivalent circuit diagram of a unit pixel in the second embodiment 第2実施形態におけるフォトダイオードの断面図Sectional view of photodiode according to second embodiment 第3実施形態における画素領域の概略構成図Schematic configuration diagram of a pixel region in the third embodiment 第3実施形態におけるフォトダイオードのx−z断面図Xz sectional view of the photodiode in the third embodiment 第1〜第3実施形態に係る撮像素子を適用した撮像装置の一例としてのカメラの機能構成例を示すブロック図FIG. 2 is a block diagram illustrating a functional configuration example of a camera as an example of an imaging device to which the imaging element according to the first to third embodiments is applied.

以下、添付図面を参照して、本発明をその例示的な実施形態に基づいて詳細に説明する。以下の実施形態では、フォトンカウンティング式の撮像素子の一例として、アバランシェフォトダイオード(APD)を光電変換素子として用いた構成について説明する。しかし、他の光電変換素子を用いる構成であってもよい。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. In the following embodiments, a configuration using an avalanche photodiode (APD) as a photoelectric conversion element will be described as an example of a photon counting type imaging element. However, a configuration using another photoelectric conversion element may be used.

●(第1実施形態)
図1に、本発明の実施形態に係る撮像素子の構成例を模式的に示す。撮像素子100は画素領域101、垂直制御回路102、水平制御回路103、タイミングジェネレータ(TG)104、デジタル出力部107を有する。
● (1st Embodiment)
FIG. 1 schematically shows a configuration example of an image sensor according to an embodiment of the present invention. The image sensor 100 includes a pixel area 101, a vertical control circuit 102, a horizontal control circuit 103, a timing generator (TG) 104, and a digital output unit 107.

画素領域101には、画素108が行列状に複数配置されている。ここでは、説明を簡単にするために水平方向に4画素、垂直方向に4画素が配列された画素領域101を示しているが、実際には数百万から数千万といった多数の画素が配列される。画素108は、入射したフォトンに起因するパルス信号を計数し、デジタル形式の計数値を画素データとして出力する。この画素の詳細は図2を用いて後述する。   In the pixel area 101, a plurality of pixels 108 are arranged in a matrix. Here, for simplicity of description, the pixel area 101 in which four pixels are arranged in the horizontal direction and four pixels in the vertical direction is shown, but a large number of pixels such as several million to tens of millions are actually arranged. Is done. The pixel 108 counts a pulse signal caused by the incident photon, and outputs a digital count value as pixel data. Details of this pixel will be described later with reference to FIG.

垂直制御回路102は、スイッチ105により画素108を1行単位で選択する。また、垂直制御回路102は、不図示の配線を介して画素108に1行単位で制御信号を送出する。この制御信号の詳細は図2を用いて後述する。   The vertical control circuit 102 selects the pixels 108 by the switch 105 in units of one row. In addition, the vertical control circuit 102 sends a control signal to the pixels 108 on a row-by-row basis via a wiring (not shown). Details of this control signal will be described later with reference to FIG.

水平制御回路103は、スイッチ106により画素108を1列単位で選択する。垂直制御回路102と水平制御回路103の両方に選択された1つの画素108の画素データが、デジタル出力部107に出力される。
デジタル出力部107は、画素108から出力された画素データを撮像素子100の外部に順次出力する。
The horizontal control circuit 103 selects the pixels 108 by the switch 106 in units of one column. Pixel data of one pixel 108 selected by both the vertical control circuit 102 and the horizontal control circuit 103 is output to the digital output unit 107.
The digital output unit 107 sequentially outputs the pixel data output from the pixels 108 to the outside of the image sensor 100.

TG104は、画素108から画素データを出力するための制御信号を垂直制御回路102および水平制御回路103に出力する。なお、TG104は、デジタル出力部107にも制御信号を送出する。   The TG 104 outputs a control signal for outputting pixel data from the pixel 108 to the vertical control circuit 102 and the horizontal control circuit 103. The TG 104 also sends a control signal to the digital output unit 107.

図2は画素108の等価回路図である。画素108は、フォトダイオード201、クエンチ抵抗202、反転バッファ203、カウンタ回路204を有する。なお、画素108の構成要素のうち、フォトダイオード201とカウンタ回路204とは別個のチップに形成し、チップ間の信号はシリコン貫通電極(TSV)等で電気的に接続する3次元実装によって撮像素子100を実現することができる。これにより、フォトダイオード201の開口率の低下を抑えることができる。   FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the pixel 108. The pixel 108 includes a photodiode 201, a quench resistor 202, an inversion buffer 203, and a counter circuit 204. Note that among the constituent elements of the pixel 108, the photodiode 201 and the counter circuit 204 are formed on separate chips, and signals between the chips are picked up by three-dimensional mounting that is electrically connected by a through silicon via (TSV) or the like. 100 can be realized. Thus, a decrease in the aperture ratio of the photodiode 201 can be suppressed.

フォトダイオード201は、例えばアバランシェフォトダイオード(APD)であり、光電変換部として機能する。フォトダイオード201のカソード端子には、クエンチ抵抗202を介して電圧V1が印加される。フォトダイオード201のアノード端子には、電圧V2が印加される。フォトダイオード201に降伏電圧より大きな逆バイアス電圧を印加するように電圧V1およびV2を定める。ここでは例えばV1=3V、V2=−20Vとする。なお、本実施形態において電圧V2はフォトダイオード201におけるグラウンド電位に相当する。   The photodiode 201 is, for example, an avalanche photodiode (APD) and functions as a photoelectric conversion unit. The voltage V <b> 1 is applied to the cathode terminal of the photodiode 201 via the quench resistor 202. The voltage V2 is applied to the anode terminal of the photodiode 201. The voltages V1 and V2 are determined so that a reverse bias voltage larger than the breakdown voltage is applied to the photodiode 201. Here, for example, V1 = 3V and V2 = −20V. In this embodiment, the voltage V2 corresponds to the ground potential of the photodiode 201.

これにより、フォトダイオード201はガイガーモードで動作し、フォトンが入射すると、光電変換により生成されたキャリアがアバランシェ増倍を引き起こし、大きな光電流が流れ、クエンチ抵抗202で電圧降下が発生する。これにより、フォトダイオード201のカソード端子電圧が低下し、フォトダイオード201に印加された逆バイアス電圧が降伏電圧を下回るとアバランシェ増倍が停止する。その結果、光電流が流れなくなり、フォトダイオード201のカソード端子電圧はV1に戻る。このようにして、1回のフォトン入射によって、短時間で大きな電圧変化が発生する。この電圧変化を反転バッファ203によってパルス信号として出力する。クエンチ抵抗202はフォトダイオード201のアバランシェ増倍を停止するための抵抗素子である。クエンチ抵抗202はトランジスタの抵抗成分を利用して実現してもよい。   As a result, the photodiode 201 operates in the Geiger mode, and when a photon enters, carriers generated by photoelectric conversion cause avalanche multiplication, a large photocurrent flows, and a voltage drop occurs in the quench resistor 202. Accordingly, when the cathode terminal voltage of the photodiode 201 decreases and the reverse bias voltage applied to the photodiode 201 falls below the breakdown voltage, the avalanche multiplication stops. As a result, the photocurrent stops flowing, and the cathode terminal voltage of the photodiode 201 returns to V1. Thus, a large voltage change occurs in a short time by one photon incidence. This voltage change is output as a pulse signal by the inversion buffer 203. The quench resistor 202 is a resistance element for stopping the avalanche multiplication of the photodiode 201. The quench resistor 202 may be realized by using a resistance component of a transistor.

カウンタ回路204は、フォトンが入射する毎に反転バッファ203から出力されるパルス信号を計数する。カウンタ回路204には、垂直制御回路102からイネーブル信号(PEN信号)およびリセット信号(PRES信号)が供給される。PEN信号がHレベルの状態で、パルス信号がカウンタ回路204に入力されると、計数値が1つ増加する。PEN信号がLレベルの状態では、パルス信号が入力されても、計数値は増加せず、現在の計数値が保持される。また、カウンタ回路204に供給されるPRES信号がHレベルになると、カウンタ回路204の計数値は0にリセットされる。所定の露光期間中におけるカウンタ回路204の計数値は、露光期間中におけるフォトダイオード201の受光量に応じた値となるため、計数値を画素データとして用いることができる。   The counter circuit 204 counts a pulse signal output from the inversion buffer 203 every time a photon enters. The counter circuit 204 is supplied with an enable signal (PEN signal) and a reset signal (PRES signal) from the vertical control circuit 102. When the pulse signal is input to the counter circuit 204 while the PEN signal is at the H level, the count value increases by one. When the PEN signal is at the L level, even if a pulse signal is input, the count value does not increase and the current count value is held. When the PRES signal supplied to the counter circuit 204 becomes H level, the count value of the counter circuit 204 is reset to zero. Since the count value of the counter circuit 204 during the predetermined exposure period is a value corresponding to the amount of light received by the photodiode 201 during the exposure period, the count value can be used as pixel data.

所定の露光期間が終了した後、垂直制御回路102と水平制御回路103の両方によって選択された画素のカウンタ回路204の計数値は、画素データとしてデジタル出力部107に出力される。   After the predetermined exposure period ends, the count value of the pixel counter circuit 204 selected by both the vertical control circuit 102 and the horizontal control circuit 103 is output to the digital output unit 107 as pixel data.

図3に画素領域101の概略構成例を示す。ここで、画素領域101に対し、図示のように水平方向にx軸、垂直方向にy軸、画素領域面の法線方向にz軸を定義する。なお、光はz軸の正方向に(紙面手前から)画素領域に入射するものとする。レンズユニットなど撮影光学系の光軸は、画素領域101と交点300で交差する。交点300を画素領域101の光軸中心と呼ぶ。一方で、画素領域101の中心を画像中心と呼ぶ。光軸中心と画像中心とは画素領域の基準位置である。光軸中心と画像中心は合致していてもいなくてもよいが、ここでは合致しているものとする。従って、以下の説明において光軸中心は画像中心でもある。301は光軸中心を含む画素、302は光軸中心との距離(像高)が大きい、画素領域の周辺部の画素の例である。また、画素301と302のy座標は等しいものとする。なお、製造誤差や、光学式手振れ補正などによって光軸中心と画像中心がずれる場合もある。しかし、これらの要因による光軸中心と画像中心とのずれは、画素領域101の大きさに対して非常に小さい。そのため、本実施形態では説明および理解を簡単にするために光軸中心と画像中心とが一致しているものとして説明する。また、画素領域101には撮影光学系を通じて受光するための受光画素のほかに、遮光された画素やダミー画素を含む場合がある。本発明における画像中心は遮光された画素やダミー画素を除いた、受光画素の領域の中心とすることができる。   FIG. 3 shows a schematic configuration example of the pixel region 101. Here, for the pixel region 101, an x-axis is defined in the horizontal direction, a y-axis in the vertical direction, and a z-axis in the normal direction of the pixel region surface as shown in the figure. It is assumed that light is incident on the pixel area in the positive direction of the z-axis (from the front of the paper). The optical axis of a photographing optical system such as a lens unit intersects the pixel area 101 at an intersection 300. The intersection 300 is referred to as the optical axis center of the pixel area 101. On the other hand, the center of the pixel area 101 is called the image center. The optical axis center and the image center are reference positions of the pixel area. The center of the optical axis and the center of the image may or may not match, but it is assumed here that they match. Therefore, in the following description, the optical axis center is also the image center. Reference numeral 301 denotes a pixel including the center of the optical axis, and 302 denotes an example of a pixel having a large distance (image height) from the center of the optical axis at a peripheral portion of the pixel area. The pixels 301 and 302 have the same y-coordinate. The center of the optical axis and the center of the image may be shifted due to a manufacturing error, optical camera shake correction, or the like. However, the deviation between the center of the optical axis and the center of the image due to these factors is very small with respect to the size of the pixel region 101. Therefore, in the present embodiment, for simplicity of explanation and understanding, the description will be made on the assumption that the center of the optical axis coincides with the center of the image. Further, the pixel area 101 may include light-shielded pixels and dummy pixels in addition to light-receiving pixels for receiving light through the imaging optical system. The image center in the present invention can be the center of the light receiving pixel area excluding the light-shielded pixels and the dummy pixels.

なお、ここでは画素領域101のうち、303で示す領域を周辺部とし、それ以外を光軸中心付近または中央領域とする。なお、周辺部303と光軸中心付近との境界は、例えば画素の中心に入射する光線の入射角(x軸方向)が閾値以上か否かによって定めることができるが、他の条件に従って定めてもよい。以下では、画素301を、光軸中心付近に含まれる各画素を代表する画素として、また画素302を、周辺部303に含まれる各画素を代表する画素として説明する。   Here, in the pixel region 101, a region denoted by 303 is a peripheral portion, and the other region is a vicinity of the center of the optical axis or a central region. Note that the boundary between the peripheral portion 303 and the vicinity of the center of the optical axis can be determined by, for example, whether or not the incident angle (x-axis direction) of the light beam entering the center of the pixel is equal to or larger than a threshold, but is determined according to other conditions. Is also good. Hereinafter, the pixel 301 will be described as a pixel representing each pixel included in the vicinity of the optical axis center, and the pixel 302 will be described as a pixel representing each pixel included in the peripheral portion 303.

図4(a)〜図4(b)はそれぞれ、本実施形態における画素301および302のフォトダイオードのx−z断面図である。ここでは、撮像素子が裏面照射型であるものとする。また、図4(c)〜図4(d)は図4(a)〜図4(b)のC−C’断面図、図4(e)〜図4(f)は図4(a)〜図4(b)のD−D’断面図である。図4(g)〜図4(h)は画素301および302のフォトダイオードの平面図である。なお、図4(c)〜図4(h)のような、画素のx−y平面の構成を、画素の平面視と呼ぶ。   4A and 4B are xz sectional views of the photodiodes of the pixels 301 and 302 in the present embodiment, respectively. Here, it is assumed that the imaging element is a back-side illumination type. 4 (c) to 4 (d) are cross-sectional views taken along the line CC 'of FIGS. 4 (a) to 4 (b), and FIGS. 4 (e) to 4 (f) are FIGS. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line DD ′ of FIG. FIGS. 4G to 4H are plan views of the photodiodes of the pixels 301 and 302. FIG. Note that a configuration of the pixel in the xy plane as shown in FIGS. 4C to 4H is referred to as a pixel's planar view.

図4(a)において、第2導電型領域としてのP型半導体領域であるP404には、不図示のコンタクト電極を介して電圧V2(例えば−20V)が印加される。P404は、後述するN型半導体領域との間で形成されるPN接合フォトダイオードのアノード端子として機能する。なお、電圧V2を印加する電極はフォトダイオードごとに設けてもよいし、複数のフォトダイオードに共通して設けてもよい。なお、いずれの場合においても、電圧V2はフォトダイオードのグランド電位であることから、電圧V2を印加する電極は、周期的に配置されるフォトダイオードに対して周期的な位置に設けることが望ましい。また、複数のフォトダイオードに共通した電極を設ける場合には、例えば同じ色(例えば青)のカラーフィルターが設けられた複数のフォトダイオードに対応して電極を設けてもよい。   In FIG. 4A, a voltage V2 (for example, −20 V) is applied to a P-type semiconductor region P404 as a second conductivity type region via a contact electrode (not shown). P404 functions as an anode terminal of a PN junction photodiode formed between an N-type semiconductor region described later. Note that the electrode to which the voltage V2 is applied may be provided for each photodiode, or may be provided in common for a plurality of photodiodes. In any case, since the voltage V2 is the ground potential of the photodiode, the electrode to which the voltage V2 is applied is desirably provided at a position that is periodic with respect to the photodiodes that are periodically arranged. When a common electrode is provided for a plurality of photodiodes, for example, the electrodes may be provided corresponding to a plurality of photodiodes provided with a color filter of the same color (for example, blue).

第1導電型領域としてのN型半導体領域であるN+402には、クエンチ抵抗202を介して電圧V1(例えば3V)が印加される。N型半導体領域であるN+402は、P404との間で形成されるPN接合フォトダイオードのカソード端子として機能する。また、電圧V1を印加する不図示の電極はN+402の上面の中心付近に設けられている。   A voltage V1 (for example, 3V) is applied to the N-type semiconductor region N + 402 as the first conductivity type region via the quench resistor 202. N + 402, which is an N-type semiconductor region, functions as a cathode terminal of a PN junction photodiode formed with P404. An electrode (not shown) for applying the voltage V1 is provided near the center of the upper surface of N + 402.

第1導電型としてのN型エピタキシャル層であるN−epi401は受光領域および光電変換領域として機能する。N−epi401には、電圧V1が印加されたN+402と電圧V2が印加されたP404との間で空乏領域が形成される。N−epi401は、入射したフォトンを光電変換して電子正孔対を生成する。電子正孔対のうち、正孔は、ドリフトによってP404に移動し、不図示のコンタクト電極を介して撮像素子外に排出される。一方、電子は、ドリフトによって高電界領域407Aに移動し、加速されてアバランシェ増倍を引き起こす。以降、このアバランシェ増倍を発生させるための高電界領域407Aをアバランシェ増倍領域と呼ぶ。なお、効率的に電子を高電界領域407Aに収集するために、N−epi401内に適切なポテンシャル傾斜を設けておくことができる。   N-epi 401, which is an N-type epitaxial layer as the first conductivity type, functions as a light receiving region and a photoelectric conversion region. In the N-epi 401, a depletion region is formed between N + 402 to which the voltage V1 is applied and P404 to which the voltage V2 is applied. The N-epi 401 generates an electron-hole pair by photoelectrically converting incident photons. Of the electron-hole pairs, the holes move to P404 due to the drift and are discharged out of the image sensor via a contact electrode (not shown). On the other hand, the electrons move to the high electric field region 407A due to the drift, and are accelerated to cause avalanche multiplication. Hereinafter, the high electric field region 407A for generating the avalanche multiplication is referred to as an avalanche multiplication region. Note that an appropriate potential gradient can be provided in the N-epi 401 in order to efficiently collect electrons in the high electric field region 407A.

図4(e)のD−D’断面図に示すように、P404はフォトダイオードの中央付近まで伸長するように形成され、P404とN+402とが近接する領域にアバランシェ増倍領域407Aが形成される。本実施形態では図4(a)に示すように、N+402を画素内の中央付近のみに形成してアバランシェ増倍領域が形成される面積を狭くしてある。これにより、シリコン基板内の結晶欠陥等の存在する領域にアバランシェ増倍領域が形成される確率を下げることができる。その結果、アバランシェ増倍領域内の結晶欠陥等に起因して発生する暗電流がアバランシェ増倍されて高頻度で検出されてしまう画素(欠陥画素)の発生割合を低く抑えることができる。また、アバランシェ増倍領域の面積を狭くしても、受光領域であるN−epi401の面積を広くすることで、画素内の広い範囲に入射したフォトンを検出することができる。   4E, P404 is formed so as to extend to the vicinity of the center of the photodiode, and an avalanche multiplication region 407A is formed in a region where P404 and N + 402 are close to each other. . In this embodiment, as shown in FIG. 4A, N + 402 is formed only near the center of the pixel to reduce the area where the avalanche multiplication region is formed. Thereby, the probability that the avalanche multiplication region is formed in the region where the crystal defect or the like exists in the silicon substrate can be reduced. As a result, it is possible to suppress the occurrence ratio of pixels (defective pixels) in which dark current generated due to a crystal defect or the like in the avalanche multiplication region is avalanche multiplied and is frequently detected. Further, even if the area of the avalanche multiplication region is reduced, photons incident on a wide range in the pixel can be detected by increasing the area of the N-epi 401 as the light receiving region.

ガードリングN−403は、N+402よりも低濃度の第1導電型領域である。図4(c)のC−C’断面図に示すように、ガードリングN−403は、N+402とP404との間に形成され、N+402とP404との間の電界を緩和してエッジブレークダウンを防止する機能を有する。なお、ガードリングN−403によってエッジブレークダウンを防止する効果を得るためには、図4(c)において、N+402とP404との間にある程度の距離(例えば1.4μm以上)を持たせるようにガードリングN−403を設ける。なお、ガードリングN−403によってN+402とP404とを隔てる距離は、フォトダイオードに印加する電圧値によって変更することができる。   The guard ring N-403 is a first conductivity type region having a lower concentration than N + 402. As shown in the CC ′ cross-sectional view of FIG. 4C, the guard ring N-403 is formed between N + 402 and P404, and relaxes the electric field between N + 402 and P404 to reduce edge breakdown. Has a function to prevent. In order to obtain the effect of preventing the edge breakdown by the guard ring N-403, a certain distance (for example, 1.4 μm or more) is provided between N + 402 and P404 in FIG. A guard ring N-403 is provided. Note that the distance separating N + 402 and P404 by the guard ring N-403 can be changed by the voltage value applied to the photodiode.

CF405はカラーフィルターである。本実施形態において各画素には複数の色(例えば、赤、緑、青の3原色)の1つを有するカラーフィルタが、特定の配列(例えばベイヤ配列)を形成するように設けられている。   CF 405 is a color filter. In this embodiment, each pixel is provided with a color filter having one of a plurality of colors (for example, three primary colors of red, green, and blue) so as to form a specific arrangement (for example, a Bayer arrangement).

ここで、本実施形態でフォトダイオードを裏面照射型としている理由は、ガードリングN−403に入射したフォトンの検出効率が著しく低いためである。ガードリングN−403で光電変換により発生した電子のほとんどは、アバランシェ増倍領域407Aに到達することなく、ドリフトにより直接、N+402に移動してしまう。そのため、フォトダイオードをガードリングN−403の形成されている側から光を入射させる表面照射型として構成した場合、フォトダイオードの表面付近で光電変換される短波長の光の検出効率が低下してしまう。したがって、図4(a)〜図4(h)に示すようにフォトダイオードを裏面照射型とすることで、短波長の光の検出効率の低下を抑えることができる。なお、フォトダイオードの形状を円筒形にして、フォトダイオードの各領域の電界強度の変化を滑らかにすることができる。フォトダイオードの形状を円筒形にした場合、N−epi401の受光面積が狭くなるため、導波路等の集光構造を設けてもよい。   Here, the reason why the photodiode is of the back-illuminated type in the present embodiment is that the detection efficiency of photons incident on the guard ring N-403 is extremely low. Most of the electrons generated by the photoelectric conversion in the guard ring N-403 move directly to N + 402 due to the drift without reaching the avalanche multiplication region 407A. Therefore, when the photodiode is configured as a front-illuminated type in which light is incident from the side where the guard ring N-403 is formed, the detection efficiency of short-wavelength light photoelectrically converted near the surface of the photodiode decreases. I will. Therefore, as shown in FIGS. 4A to 4H, by using the back-side illumination type of the photodiode, a decrease in the efficiency of detecting short-wavelength light can be suppressed. Note that the shape of the photodiode can be made cylindrical so that the electric field intensity in each region of the photodiode can be smoothly changed. When the photodiode is formed in a cylindrical shape, the light receiving area of the N-epi 401 is reduced, so that a light collecting structure such as a waveguide may be provided.

図4(a)〜図4(b)に示すように、光軸中心に位置する画素301と、周辺部の画素302とでは、N+402の形成される位置、すなわちアバランシェ増倍領域407Aの形成される位置が異なる。ここで、N−epi401のx軸方向の中心位置をO1で示す。O1はN−epi401のx軸方向における幅をWとすると、W/2となる位置に相当する。同様に、N+402のx軸方向の中心位置をO2で示す。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the pixel 301 located at the center of the optical axis and the pixel 302 at the peripheral portion form a position where N + 402 is formed, that is, an avalanche multiplication region 407A. Position is different. Here, the center position of the N-epi 401 in the x-axis direction is indicated by O1. O1 corresponds to a position of W / 2, where W is the width of the N-epi 401 in the x-axis direction. Similarly, the center position of N + 402 in the x-axis direction is indicated by O2.

図4(c)に示すように、光軸中心に位置する画素301では、N+402の中心位置O2がN−epi401の中心位置O1と等しい。一方、図4(d)に示すように、周辺部の画素302では、N+402の中心位置O2が、N−epi401の中心位置O1からx軸方向に距離Lだけずれた位置(すなわち、O2=O1+L)に形成される。なお、ここでは画素301と302のy軸座標が等しいため、y軸方向については画素の像高によらずN+402の中心位置とN−epi401の中心位置が等しい。しかし、画素301と302のy軸座標が異なる場合には、y軸座標の差の大きさに応じてN+402の中心位置とN−epi401の中心位置のy軸方向の位置を変化させることができる。   As shown in FIG. 4C, in the pixel 301 located at the center of the optical axis, the center position O2 of N + 402 is equal to the center position O1 of N-epi 401. On the other hand, as shown in FIG. 4D, in the peripheral pixels 302, the center position O2 of N + 402 is shifted from the center position O1 of N-epi 401 by a distance L in the x-axis direction (that is, O2 = O1 + L). ). Here, since the y-axis coordinates of the pixels 301 and 302 are equal, the center position of N + 402 and the center position of N-epi 401 are equal in the y-axis direction regardless of the image height of the pixel. However, when the y-axis coordinates of the pixels 301 and 302 are different, the position of the center position of N + 402 and the center position of N-epi 401 in the y-axis direction can be changed according to the magnitude of the difference between the y-axis coordinates. .

また、図4(a)および図4(b)や、図4(e)および図4(f)のD−D’断面図に示すように、P404はフォトダイオードの中央付近まで伸長するように形成され、P404とN+402が近接する領域にアバランシェ増倍領域407Aが形成される。ここで、図4(a)や図4(b)に示すように、N+402はアバランシェ増倍領域407Aが形成される面積が狭くなるように、水平断面積を小さく形成している。これにより、アバランシェ増倍領域407A内にシリコン基板内の結晶欠陥等が存在する確率を下げることができる。その結果、アバランシェ増倍領域内の結晶欠陥等に起因して発生する暗電流がアバランシェ増倍されて高頻度で検出されてしまう画素(欠陥画素)の発生割合を低く抑えることができる。また、アバランシェ増倍領域407の面積を狭くしても、受光領域であるN−epi401の面積を広くすることで、画素内の広い範囲に入射したフォトンを検出することができる。   Further, as shown in FIG. 4A and FIG. 4B, and the DD ′ cross-sectional views of FIG. 4E and FIG. 4F, P404 extends to near the center of the photodiode. The avalanche multiplication region 407A is formed in a region where P404 and N + 402 are close to each other. Here, as shown in FIGS. 4A and 4B, N + 402 has a small horizontal cross-sectional area so that the area where the avalanche multiplication region 407A is formed is small. Thus, the probability that a crystal defect or the like in the silicon substrate exists in the avalanche multiplication region 407A can be reduced. As a result, it is possible to suppress the occurrence ratio of pixels (defective pixels) in which dark current generated due to a crystal defect or the like in the avalanche multiplication region is avalanche multiplied and is frequently detected. Further, even if the area of the avalanche multiplication area 407 is reduced, by increasing the area of the N-epi 401 as the light receiving area, it is possible to detect photons incident on a wide range in the pixel.

図4(a)〜図4(b)には、受光領域であるN−epi401の中心位置O1に対する入射光を矢印で示している。図4(a)に示すように、光軸中心を含んだ画素301では光線がz軸と平行に入射するのに対し、図4(b)に示すように、周辺部の画素302では光線がz軸に対して傾いて入射する。   4A and 4B, the incident light with respect to the center position O1 of the N-epi 401 as the light receiving area is indicated by an arrow. As shown in FIG. 4A, a light ray enters the pixel 301 including the center of the optical axis in parallel with the z-axis, whereas as shown in FIG. The incident light is inclined with respect to the z axis.

このとき、それぞれの角度をもって受光領域であるN−epi401に入射したフォトンが光電変換される位置は、シリコンの吸収係数で決まる指数関数の確率分布に従う。ここで、それぞれの画素に入射したフォトンが光電変換される平均位置を408A、408Bで示す。これらの平均位置408A、408Bは、それぞれの角度でシリコンに入射したフォトンが50%の確率で光電変換されている侵入長に相当する。入射光の波長を可視光領域の中心付近の波長である550nmで代表すると、この侵入長はおよそ1μmとなる。   At this time, the position at which the photons incident on the light receiving region N-epi 401 at the respective angles are photoelectrically converted follows the probability distribution of an exponential function determined by the absorption coefficient of silicon. Here, the average positions at which the photons incident on each pixel are photoelectrically converted are indicated by 408A and 408B. These average positions 408A and 408B correspond to penetration lengths at which photons incident on silicon at respective angles are photoelectrically converted with a probability of 50%. If the wavelength of the incident light is represented by 550 nm, which is a wavelength near the center of the visible light region, the penetration length is about 1 μm.

図4(a)および図4(b)に示すように、光軸中心に位置する画素301におけるアバランシェ増倍領域407Aの中心位置(O1)は入射したフォトンが光電変換される平均位置408Aの直上になる。また、周辺部の画素302でアバランシェ増倍領域407Bの中心位置(O2)は、入射したフォトンが光電変換される平均位置408Bの直上になる。つまり、それぞれの画素において、入射したフォトンが光電変換される平均位置からアバランシェ増倍領域までの距離はほぼ同じであり、光軸中心から離れた位置に配置された画素におけるフォトンの検出感度低下を抑制することができる。これは、光電変換により生成された電子がアバランシェ増倍領域へドリフト移動中に再結合によって消滅する確率の増加を抑えることができるからである。   As shown in FIGS. 4A and 4B, the center position (O1) of the avalanche multiplication region 407A in the pixel 301 located at the center of the optical axis is directly above the average position 408A at which incident photons are photoelectrically converted. become. In the peripheral pixels 302, the center position (O2) of the avalanche multiplication region 407B is immediately above the average position 408B where the incident photons are photoelectrically converted. In other words, in each pixel, the distance from the average position where the incident photons are photoelectrically converted to the avalanche multiplication region is almost the same, and the decrease in the photon detection sensitivity at the pixels located away from the optical axis center is reduced. Can be suppressed. This is because an increase in the probability that electrons generated by photoelectric conversion disappear due to recombination during drift movement to the avalanche multiplication region can be suppressed.

また、周辺部の画素においても、光電変換により生成された電子がアバランシェ増倍領域に突入する方向や位置が光軸中心に位置する画素と同じになるため、電子がアバランシェ増倍領域でアバランシェ増倍を発生させるために必要な加速を得ることができる。これによっても、光軸中心から離れた位置に配置された画素におけるフォトンの検出感度低下を抑制することができる。   Also, in the peripheral pixels, the direction and position of the electrons generated by the photoelectric conversion entering the avalanche multiplication region are the same as those of the pixels located at the center of the optical axis, so that the electrons increase in the avalanche multiplication region. The acceleration required to generate the doubling can be obtained. This also makes it possible to suppress a decrease in photon detection sensitivity in a pixel arranged at a position distant from the center of the optical axis.

このように、本実施形態では、入射フォトンが光電変換される平均位置を通り、撮影光学系の光軸に平行な直線がアバランシェ増倍領域を通るように、アバランシェ増倍領域(高電界領域)が形成される第1導電型領域(N+402)の水平断面位置を制御する。なお、入射フォトンが光電変換される平均位置は、受光領域であるN−epi401の中心位置に入射する光線の入射角度と、入射光の代表波長(例えば550nm)の侵入長とから求まる距離(受光領域の中心からのずれ量)として求めることができる。なお、これは一例であり、他の方法によって各画素において入射フォトンが光電変換される平均位置を求めてもよい。   As described above, in the present embodiment, the avalanche multiplication region (high electric field region) is formed such that the straight line parallel to the optical axis of the imaging optical system passes through the avalanche multiplication region through the average position where the incident photon is photoelectrically converted. Is controlled in the horizontal sectional position of the first conductivity type region (N + 402) in which is formed. The average position at which the incident photons are photoelectrically converted is determined by the distance (light reception) determined from the incident angle of the light beam incident on the center position of the N-epi 401 as the light receiving region and the penetration length of the representative wavelength (for example, 550 nm) of the incident light. (Deviation from the center of the region). Note that this is an example, and an average position at which incident photons are photoelectrically converted in each pixel may be obtained by another method.

例えば、入射したフォトンが光電変換される平均位置を、撮影光学系を介して画素に入射するすべての光束を考慮して求めてもよい。なお、撮影光学系の絞りが可変な場合や、撮影光学系が交換可能な場合には、基準となる撮影光学系および絞り値について画素に入射する光束を考慮して平均位置を算出すればよい。   For example, the average position at which the incident photon is photoelectrically converted may be determined in consideration of all the light beams incident on the pixel via the imaging optical system. In the case where the diaphragm of the photographing optical system is variable or the photographing optical system is replaceable, the average position may be calculated for the reference photographing optical system and the aperture value in consideration of the light flux incident on the pixel. .

また、本実施形態では、入射フォトンが光電変換される平均位置を、可視光領域の中心付近の波長である550nmの侵入長を用いて求めたが、各画素に設けられたカラーフィルターの分光透過率が最も高い波長の侵入長を用いてもよい。この場合、像高が等しい画素であっても、カラーフィルタの色が異なる画素はアバランシェ増倍領域(高電界領域)が形成される第1導電型領域(N+402)の水平断面位置が異なる。   In the present embodiment, the average position at which incident photons are photoelectrically converted is determined using the penetration length of 550 nm, which is a wavelength near the center of the visible light region, but the spectral transmission of the color filter provided in each pixel is determined. The penetration length of the wavelength with the highest rate may be used. In this case, even if the pixels have the same image height, pixels having different color filters have different horizontal cross-sectional positions of the first conductivity type region (N + 402) in which the avalanche multiplication region (high electric field region) is formed.

また、上述したように、x軸方向のみならず、y軸方向に対してもアバランシェ増倍領域(高電界領域)が形成される第1導電型領域(N+402)の水平断面位置を制御してもよい。   Further, as described above, the horizontal cross-sectional position of the first conductivity type region (N + 402) where the avalanche multiplication region (high electric field region) is formed not only in the x-axis direction but also in the y-axis direction is controlled. Is also good.

本実施形態では、N−epi401の中心位置O1を基準としてN+402の中心O2の位置をずらす例を示した。しかし、N+402の中心O2のずらし量の基準は、N−epi401の中心位置O1に限られない。例えば、画素108が所定の画素ピッチで周期的に配置される場合、隣接画素の中心を結ぶ直線の中点を基準として用いてもよい。また、フォトダイオードの周囲に埋め込まれたP404やガードリング403により定義される領域の中心を基準として用いてもよい。あるいは、画素領域101内に周期的に配置される、電圧V2を印加するための電極の位置を基準として用いてもよい。一例として図4(g)及び図4(h)に示すように、電極位置を基準として用いる場合、電圧V2を印加する電極408Aおよび電極408Bと、電圧V1を印加する電極409Aおよび電極409Bとの間の距離でずれ量が規定される。   In the present embodiment, an example has been described in which the position of the center O2 of N + 402 is shifted with reference to the center position O1 of N-epi 401. However, the reference of the shift amount of the center O2 of N + 402 is not limited to the center position O1 of N-epi401. For example, when the pixels 108 are periodically arranged at a predetermined pixel pitch, the midpoint of a straight line connecting the centers of adjacent pixels may be used as a reference. Alternatively, the center of the region defined by P404 or guard ring 403 embedded around the photodiode may be used as a reference. Alternatively, a position of an electrode for applying the voltage V2 periodically arranged in the pixel region 101 may be used as a reference. As an example, as shown in FIGS. 4 (g) and 4 (h), when an electrode position is used as a reference, an electrode 408A and an electrode 408B for applying a voltage V2 and an electrode 409A and an electrode 409B for applying a voltage V1 are used. The amount of deviation is defined by the distance between them.

次に、画素ごとにマイクロレンズを備えた撮像素子に対する第1実施形態の適用例について説明する。
図5(a)〜図5(b)は第1実施形態の第1変形例において、光軸中心に位置する画素301’および周辺部の画素302’のフォトダイオードのx−z断面図である。図5(a)〜図5(b)において図4(a)〜図4(h)と同一の構成については同一の番号を付与し、その説明は省略する。
Next, an application example of the first embodiment to an image sensor having a microlens for each pixel will be described.
FIGS. 5A and 5B are xz sectional views of photodiodes of a pixel 301 ′ located at the center of the optical axis and a peripheral pixel 302 ′ in the first modification of the first embodiment. . 5 (a) to 5 (b), the same components as those in FIGS. 4 (a) to 4 (h) are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

図5(a)〜図5(b)に示すように、各画素は入射光線から見てカラーフィルタ405の手前にマイクロレンズ(ML)406を備えている。ML406は撮影光学系により結像された光を受光領域であるN−epi401に集光する。ここで、図5(a)〜図5(b)には、それぞれML406の中心を通ってN−epi401に入射する光を矢印で示してある。各画素がML406を備えた構成においても、ML406を介してN−epi401に入射するフォトンが光電変換される平均位置408A、408Bの直上にアバランシェ増倍領域407A、407Bが形成されるよう、N+402の水平断面位置を制御する。したがって、図4(a)〜図4(h)に示した構成と同様に、画素領域の周辺部の画素において、入射フォトンの検出効率が低下することを抑制できる。なお、ここではフォトンが光電変換される平均位置408Bが、周辺部の画素ほどマイクロレンズの光軸から離れる場合について説明した。しかし、画素の位置の変化と、平均位置408とマイクロレンズの光軸との距離の変化との関係が異なる場合であっても、フォトンが光電変換される平均位置408の直上にアバランシェ増倍領域407を形成することができる。   As shown in FIGS. 5A and 5B, each pixel includes a microlens (ML) 406 in front of the color filter 405 when viewed from the incident light. The ML 406 focuses the light imaged by the photographing optical system on the N-epi 401, which is a light receiving area. Here, in FIG. 5A and FIG. 5B, light incident on the N-epi 401 through the center of the ML 406 is indicated by arrows. Even in a configuration in which each pixel includes the ML 406, the N + 402 is formed such that the avalanche multiplication regions 407A and 407B are formed immediately above the average positions 408A and 408B where photons incident on the N-epi 401 via the ML 406 are photoelectrically converted. Control the horizontal section position. Therefore, similarly to the configuration shown in FIGS. 4A to 4H, it is possible to suppress the detection efficiency of the incident photon from being reduced in the pixels in the peripheral portion of the pixel region. Here, a case has been described where the average position 408B where the photons are photoelectrically converted is farther away from the optical axis of the microlens as the peripheral pixels are located. However, even when the relationship between the change in the pixel position and the change in the distance between the average position 408 and the optical axis of the microlens is different, the avalanche multiplication region is located immediately above the average position 408 where the photons are photoelectrically converted. 407 can be formed.

なお、図4(a)〜図4(h)および図5(a)〜図5(b)では、受光領域であるN−epi401の中心位置O1を基準として、アバランシェ増倍領域(N+402)の中心位置O2を距離Lだけずらす構成を例示した。しかし、ML406、CF405、またはP404の中心位置を基準としてもよい。さらに、不図示の配線開口や遮光部材を備える場合には、配線開口の中心位置や遮光部材を基準としてもよい。なお、図4(a)〜図4(h)において、N+402のx軸方向の寸法が1.2μm程度あればアバランシェ増倍が可能である。また、画素ピッチに合わせて強電界領域の大きさを変更する場合、画素ピッチが10μm以下の画素であれば画素サイズ(面積)に対するN+402のサイズ(面積)の割合を40%以下に構成する。   4 (a) to 4 (h) and FIGS. 5 (a) to 5 (b), the avalanche multiplication region (N + 402) is based on the center position O1 of the N-epi 401 as the light receiving region. The configuration in which the center position O2 is shifted by the distance L has been illustrated. However, the center position of the ML 406, the CF 405, or the P 404 may be used as a reference. Further, when a wiring opening or a light blocking member (not shown) is provided, the center position of the wiring opening or the light blocking member may be used as a reference. 4 (a) to 4 (h), avalanche multiplication is possible if the dimension of N + 402 in the x-axis direction is about 1.2 μm. When the size of the strong electric field region is changed in accordance with the pixel pitch, if the pixel pitch is 10 μm or less, the ratio of the size (area) of N + 402 to the pixel size (area) is set to 40% or less.

図6(a)〜図6(b)は第1実施形態の第2変形例において、光軸中心に位置する画素301”および周辺部の画素302”のフォトダイオードのx−z断面図である。図6(a)〜図6(b)において図4(a)〜図4(h)または図5(a)〜図5(b)と同一の構成については同一の番号を付与し、その説明は省略する。   FIGS. 6A and 6B are xz sectional views of the photodiodes of the pixel 301 ″ located at the center of the optical axis and the pixel 302 ″ in the peripheral part in the second modification of the first embodiment. . 6 (a) to 6 (b), the same components as those in FIGS. 4 (a) to 4 (h) or FIGS. 5 (a) to 5 (b) are denoted by the same reference numerals, and a description thereof will be given. Is omitted.

図5(a)〜図5(b)に示した変形例では、個々の画素においてML406が設けられる位置は、画素が配置されている位置によらず一定(例えば、画素の受光領域の中心とML406の中心とのxy座標が同一)であった。これに対し、本変形例では、図6(b)に示すように、周辺部の画素302”のx軸方向において、ML406の中心位置O3をN−epi401の中心位置O1からL2ずらして配置する。   In the modified example shown in FIGS. 5A and 5B, the position where the ML 406 is provided in each pixel is constant irrespective of the position where the pixel is arranged (for example, the center of the light receiving region of the pixel is located at the center). Xy coordinates with the center of the ML 406 are the same). On the other hand, in the present modification, as shown in FIG. 6B, the center position O3 of the ML 406 is shifted by L2 from the center position O1 of the N-epi 401 in the x-axis direction of the peripheral pixel 302 ″. .

より具体的には、周辺部の画素302”において、ML406の中心位置O3を、受光領域(N−epi401)の中心位置O1を基準として撮影光学系の光軸(あるいは画素領域の光軸中心)に近づく方向(図の左方向)にずらして配置する。さらに、アバランシェ増倍領域を形成するN+402の中心位置O2を、受光領域の中心位置O1を基準として撮影光学系の光軸(あるいは画素領域の光軸中心)から遠ざかる方向(図の右方向)にずらして形成する。   More specifically, in the pixel 302 ″ in the peripheral portion, the center position O3 of the ML 406 is set at the optical axis of the photographing optical system (or the center of the optical axis of the pixel region) with reference to the center position O1 of the light receiving area (N-epi 401). The center position O2 of N + 402 forming the avalanche multiplication region is set to the optical axis (or pixel region) of the photographing optical system with reference to the center position O1 of the light receiving region. (The center of the optical axis in FIG. 2).

これにより、入射光がz軸に対して大きく傾いて入射した場合でも、入射フォトンの検出効率が低下することを抑制できる。さらにN+402とML406の双方を逆方向にずらすことで、一方だけをずらす場合よりもずらし量を小さくすることができる。特にN+402のずらし量L1を小さくすることで、N+402と側面のP404とが近接してガードリングN−403の幅が減少し、側面側でブレークダウンが発生することを防止できる。また、ML406のずらし量L2を小さくすることで、ML406の周辺付近に入射するフォトンが画素間に形成される不図示の素子分離構造等によって遮られたり、隣接画素に入射して混色の原因となることを防止できる。なお、ML406とCF405とを一体として、中心位置をずらしてもよい。また、不図示の配線開口を備える場合は、配線開口も光軸に近づく方向にずらして形成してもよい。   Thereby, even when the incident light is incident with a large inclination with respect to the z-axis, it is possible to suppress a decrease in the detection efficiency of the incident photon. Further, by shifting both N + 402 and ML 406 in the opposite direction, the shift amount can be made smaller than when only one of them is shifted. In particular, by reducing the shift amount L1 of N + 402, the width of the guard ring N-403 decreases due to the proximity of N + 402 and the P404 on the side surface, and it is possible to prevent the occurrence of breakdown on the side surface side. Also, by reducing the shift amount L2 of the ML 406, photons incident near the periphery of the ML 406 may be blocked by an element isolation structure (not shown) formed between pixels, or may be incident on adjacent pixels to cause color mixing. Can be prevented. Note that the ML 406 and the CF 405 may be integrated and the center position may be shifted. When a wiring opening (not shown) is provided, the wiring opening may be formed so as to be shifted in a direction approaching the optical axis.

なお、N+402をずらすことにより、ガードリングN−403によってブレークダウンを防止するために必要なN+402とP404との距離が得られない場合、N+402と一緒にガードリングN−403もずらしてもよい。また、ML406のずらし量と同様に、N+402のずらし量L1についても画素領域101の中心から周辺にかけて段階的に増やすことができる。   Note that if the distance between N + 402 and P404 required to prevent breakdown by guard ring N-403 cannot be obtained by shifting N + 402, guard ring N-403 may be shifted together with N + 402. Similarly to the shift amount of the ML 406, the shift amount L1 of N + 402 can be increased stepwise from the center to the periphery of the pixel region 101.

図7(a)〜図7(d)は第1実施形態の第3変形例に関する図である。本変形例は、画素領域を3つの領域に分割し、個々の領域に属する画素について、N+402の位置制御と、ML406の位置制御との組み合わせを異ならせたものである。図7(a)は、本変形例における画素領域の分割例を示している。図3との比較から分かるように、光軸中心付近(ここでは画像中心付近でもある)を光軸中心近傍部901と中間部902とに分割している。周辺部903については、第1実施形態の周辺部303と同一であってよい。各領域の境界は例えば画素の中心に入射する光線の入射角(x軸方向)が第1閾値以上第2閾値未満である画素を中間部902、第2閾値以上である画素を周辺部903として定めることができるが、他の条件に従って定めてもよい。   FIGS. 7A to 7D are diagrams related to a third modification of the first embodiment. In this modification, the pixel region is divided into three regions, and the combination of the position control of N + 402 and the position control of the ML 406 are made different for the pixels belonging to each region. FIG. 7A shows an example of dividing a pixel area in the present modification. As can be seen from a comparison with FIG. 3, the vicinity of the center of the optical axis (here, also near the center of the image) is divided into a portion 901 near the center of the optical axis and an intermediate portion 902. The peripheral portion 903 may be the same as the peripheral portion 303 of the first embodiment. The boundary of each region is, for example, a pixel in which the incident angle (x-axis direction) of a light ray incident on the center of the pixel is equal to or more than a first threshold and less than a second threshold is defined as an intermediate portion 902, and a pixel in which the angle is equal to or more than a second threshold is defined as a peripheral portion 903. Although it can be determined, it may be determined according to other conditions.

また、図7(b)〜図7(d)は、光軸中心近傍部901に位置する画素の一例である画素904、中間部902に位置する画素の一例である画素905、周辺部903に位置する画素の一例である画素906のフォトダイオードのx−z断面図である。図7(a)〜図7(d)において図3〜6と同一の構成については同一の番号を付与し、その説明は省略する。ここでは、画素904は光軸中心に位置している画素とする。   FIGS. 7B to 7D show a pixel 904 as an example of a pixel located in the vicinity of the optical axis center 901, a pixel 905 as an example of a pixel located in the middle portion 902, and a peripheral portion 903. FIG. 9 is an xz sectional view of a photodiode of a pixel 906 which is an example of a located pixel. 7A to 7D, the same components as those in FIGS. 3 to 6 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. Here, the pixel 904 is a pixel located at the center of the optical axis.

図7(b)に示すように、光軸中心近傍部901に位置する画素904は、ML406の中心位置O3、N+402の中心位置O2がいずれも、N−epi401の中心位置O1と合致するようにML406およびN+402を設ける。これに対して、図7(c)に示すように、中間部902に位置する画素905については、ML406の中心位置O3を、N−epi401の中心位置O1から光軸中心方向(図の左側)にL2ずらしてML406を設ける。さらに、図7(d)に示すように、周辺部903に位置する画素906については、図7(c)のML406の中心位置O3のずらしに加え、N+402の中心位置O2のずらしを組み合わせる。具体的には、N+402の中心位置O2を、N−epi401の中心位置O1を基準として光軸中心から離れる方向にL1ずらす。   As shown in FIG. 7B, the pixel 904 located in the vicinity 901 of the optical axis center has the center position O3 of the ML 406 and the center position O2 of the N + 402 both coincide with the center position O1 of the N-epi 401. ML 406 and N + 402 are provided. On the other hand, as shown in FIG. 7C, for the pixel 905 located in the middle part 902, the center position O3 of the ML 406 is shifted from the center position O1 of the N-epi 401 toward the optical axis center (left side in the figure). Are provided with ML406 shifted by L2. Further, as shown in FIG. 7D, for the pixel 906 located in the peripheral portion 903, the shift of the center position O2 of N + 402 is combined with the shift of the center position O3 of the ML 406 in FIG. 7C. Specifically, the center position O2 of N + 402 is shifted by L1 in a direction away from the center of the optical axis with reference to the center position O1 of N-epi 401.

このように、光軸中心からの距離が大きくなるにつれて、まずマイクロレンズの中心位置をずらし、その後、さらにN+402の中心位置をずらすようにする。中間部902および周辺部903に位置する画素について、フォトンの検出感度低下を適切に抑制することができる。なお、中間部902に位置する画素については、ML406の中心位置O3の代わりに、N+402の中心位置O2をずらすように構成してもよい。   As described above, as the distance from the optical axis center increases, the center position of the microlens is first shifted, and then the center position of N + 402 is further shifted. Regarding the pixels located in the intermediate portion 902 and the peripheral portion 903, it is possible to appropriately suppress a decrease in photon detection sensitivity. Note that the pixel located in the intermediate portion 902 may be configured to shift the center position O2 of N + 402 instead of the center position O3 of the ML 406.

なお、ここでは右側の周辺部303における画素について説明したが、左側の周辺部303における画素領域内の画素については、平均位置のずれる方向が図の左側になる。しかし、O2やO3が光軸中心から遠ざかる方向にずれる点は共通である。   Here, the pixels in the right peripheral portion 303 have been described, but for the pixels in the pixel region in the left peripheral portion 303, the direction in which the average position is shifted is on the left side of the drawing. However, it is common that O2 and O3 are shifted in a direction away from the center of the optical axis.

以上説明したように、本実施形態によれば、画素領域に配列された複数の画素のそれぞれについて、アバランシェ増倍が発生する領域の位置および/またはマイクロレンズの位置を、画素の位置に応じて異ならせるようにした。より具体的には、光軸中心からの距離が閾値以上である画素については、そうでない画素よりも、アバランシェ増倍が発生する領域の中心が、画素の受光領域の中心を基準として光軸中心から遠ざかる方向にずれるようにした。あるいは、またはさらに、光軸中心からの距離が閾値以上である画素については、そうでない画素よりも、マイクロレンズの中心が、画素の受光領域の中心を基準として光軸中心に近づく方向にずれるようにした。これにより、画素の位置に依存したフォトンの検出効率低下を抑制することができる。なお、画素の受光領域の中心に対してマイクロレンズの中心をずらす場合に、画素間に配置された混色対策用の遮光部材がある場合には合わせてずらすことが好ましい。さらには、画素の受光領域とマイクロレンズの間に設けられたカラーフィルタ等の他の部材も合わせてずらすようにしてもよい。   As described above, according to the present embodiment, for each of the plurality of pixels arranged in the pixel region, the position of the region where avalanche multiplication occurs and / or the position of the microlens are changed according to the position of the pixel. I tried to make it different. More specifically, for a pixel whose distance from the center of the optical axis is equal to or greater than the threshold, the center of the region where avalanche multiplication occurs occurs more than the pixel which does not have the center of the optical axis with respect to the center of the light receiving region of the pixel. To move away from the camera. Alternatively, or in addition, for a pixel whose distance from the optical axis center is equal to or greater than the threshold, the center of the microlens is shifted in a direction closer to the optical axis center with respect to the center of the light receiving region of the pixel, than the pixel that is not so. I made it. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in photon detection efficiency depending on the position of the pixel. When the center of the microlens is shifted with respect to the center of the light receiving area of the pixel, it is preferable to shift the center of the microlens when there is a light-blocking member for preventing color mixing arranged between the pixels. Further, other members such as a color filter provided between the light receiving region of the pixel and the microlens may be shifted together.

●(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、マイクロレンズと、複数に分割された受光領域とを有する構成の画素に対して本発明を適用したものである。図8は、本実施形態の撮像素子の画素領域に配列される画素108’の等価回路図である。第1実施形態における画素108と同様の構成要素については図2と同じ参照符号を付し、説明を省略する。
● (Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the present invention is applied to a pixel having a configuration including a microlens and a plurality of divided light receiving regions. FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of a pixel 108 ′ arranged in the pixel region of the image sensor according to the present embodiment. The same components as those of the pixel 108 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIG.

本実施形態の撮像素子が有する画素108’は、複数のフォトダイオード201A、201Bを有する。なお、画素当たり3つ以上のフォトダイオードを有してもよい。また、画素108’は、フォトダイオード201A、201Bのそれぞれに対応したクエンチ抵抗202A、202B、反転バッファ203A、203B、カウンタ回路204A、204Bを有する。   The pixel 108 'included in the image sensor according to this embodiment includes a plurality of photodiodes 201A and 201B. Note that three or more photodiodes may be provided per pixel. The pixel 108 'has quench resistors 202A and 202B, inversion buffers 203A and 203B, and counter circuits 204A and 204B corresponding to the photodiodes 201A and 201B, respectively.

フォトダイオード201Aのカソード端子には、クエンチ抵抗202Aを介して電圧V1_A(例えば3V)が印加され、フォトダイオード201Bのカソード端子には、クエンチ抵抗202Bを介して電圧V1_B(例えば3V)が印加される。一方、フォトダイオード201A、201Bのアノード端子には、共通の電圧V2(例えば−20V)が印加される。これにより、個々のフォトダイオード201A、201Bはガイガーモードで動作し、フォトンの入射によりアバランシェ増倍現象が発生する。   The voltage V1_A (for example, 3 V) is applied to the cathode terminal of the photodiode 201A via the quench resistor 202A, and the voltage V1_B (for example, 3 V) is applied to the cathode terminal of the photodiode 201B via the quench resistor 202B. . On the other hand, a common voltage V2 (for example, −20 V) is applied to the anode terminals of the photodiodes 201A and 201B. As a result, the individual photodiodes 201A and 201B operate in the Geiger mode, and the avalanche multiplication phenomenon occurs due to the incidence of photons.

また、反転バッファ203Aは、フォトダイオード201Aにおけるアバランシェ増倍の発生および終了に伴って生じる電圧変化をパルス信号としてカウンタ回路204Aに出力する。同様に、反転バッファ203Bは、フォトダイオード201Bにおけるアバランシェ増倍の発生および終了に伴って生じる電圧変化をパルス信号としてカウンタ回路204Bに出力する。   The inverting buffer 203A outputs a voltage change that occurs with the occurrence and termination of the avalanche multiplication in the photodiode 201A as a pulse signal to the counter circuit 204A. Similarly, the inversion buffer 203B outputs to the counter circuit 204B, as a pulse signal, a voltage change that occurs with the occurrence and termination of the avalanche multiplication in the photodiode 201B.

カウンタ回路204A、204Bには、垂直制御回路102(図1)からイネーブル信号(PEN_A、PEN_B)およびリセット信号(RES_A、RES_B)がそれぞれ供給される。所定の露光期間中に、カウンタ回路204A、204Bで計数した値は、画素データ(SigOUT_A、SigOUT_B)として、順次、デジタル出力部107(図1)に出力される。   The counter circuits 204A and 204B are supplied with enable signals (PEN_A, PEN_B) and reset signals (RES_A, RES_B) from the vertical control circuit 102 (FIG. 1). During a predetermined exposure period, the values counted by the counter circuits 204A and 204B are sequentially output to the digital output unit 107 (FIG. 1) as pixel data (SigOUT_A, SigOUT_B).

後述するように、フォトダイオード201A、201Bは1つのマイクロレンズを共有し、撮影光学系の射出瞳のうち、異なる部分瞳からの光束を受光する。そのため、複数の画素からSigOUT_AとSigOUT_Bとを読み出し、SigOUT_Aから形成される像信号と、SigOUT_Bから形成される像信号との位相差を検出することにより、撮影光学系のデフォーカス量を求めることができる。また、個々の画素について、SigOUT_A、SigOUT_Bの2つの画素データを加算すると、第1実施形態の画素108で得られる画素データと同様の画素データを得ることができる。   As described later, the photodiodes 201A and 201B share one microlens and receive light beams from different partial pupils of the exit pupil of the imaging optical system. Therefore, by reading SigOUT_A and SigOUT_B from a plurality of pixels and detecting the phase difference between the image signal formed from SigOUT_A and the image signal formed from SigOUT_B, the defocus amount of the imaging optical system can be obtained. it can. Further, by adding two pixel data of SigOUT_A and SigOUT_B for each pixel, it is possible to obtain the same pixel data as the pixel data obtained by the pixel 108 of the first embodiment.

図9(a)および図9(b)に本実施形態における画素のフォトダイオードのx−z断面図を示す。図9(a)は光軸中心付近の画素、図9(b)は周辺部の画素のフォトダイオードの構成である。ここで、光軸中心付近および周辺部は、第1実施形態で図3を用いて説明したように定められているものとする。また、図9(c)および図9(d)は図9(a)および図9(b)のC−C’断面図、図9(e)および図9(f)は図9(a)および図9(b)のD−D’断面図である。図9(a)〜図9(f)において、第1実施形態の画素108に対応する構成要素については図4(a)〜図4(h)から図7(a)〜図7(d)と同じ参照符号を付し、説明を省略する。   9A and 9B are xz sectional views of the photodiode of the pixel according to the present embodiment. FIG. 9A shows the configuration of the pixel near the center of the optical axis, and FIG. 9B shows the configuration of the photodiode of the peripheral pixel. Here, it is assumed that the vicinity of the center of the optical axis and the peripheral portion are determined as described with reference to FIG. 3 in the first embodiment. 9 (c) and 9 (d) are cross-sectional views taken along the line CC 'of FIGS. 9 (a) and 9 (b), and FIGS. 9 (e) and 9 (f) are FIG. 9 (a). FIG. 10 is a sectional view taken along line DD ′ of FIG. 9B. 9A to 9F, components corresponding to the pixel 108 of the first embodiment are illustrated in FIGS. 4A to 4H to 7A to 7D. The same reference numerals as in FIG.

図9(a)において、受光領域であるN−epi401の上部には、第1導電型領域としてのN型半導体領域であるN+402A、N+402Bがそれぞれ形成される。これらは、それぞれ、フォトダイオード201A、201Bのカソード端子として機能する。N+402A、N+402Bには、それぞれクエンチ抵抗202A、202Bを介して、電圧V1_A、V1_Bが印加される。N+402A、N+402Bの周囲には図9(c)および図9(d)に示すように、ガードリングとしてN−403が形成される。   In FIG. 9A, N + 402A and N + 402B, which are N-type semiconductor regions as the first conductivity type regions, are formed above the N-epi 401 as the light receiving region. These function as cathode terminals of the photodiodes 201A and 201B, respectively. Voltages V1_A and V1_B are applied to N + 402A and N + 402B via quench resistors 202A and 202B, respectively. As shown in FIGS. 9C and 9D, N-403 is formed around N + 402A and N + 402B as a guard ring.

P404は第2導電型領域としてのP型半導体領域であり、フォトダイオード201A、201Bのアノード端子として機能する。P404には、不図示のコンタクト電極を介して電圧V2が印加される。図9(c)および図9(d)に示すように、P404はN+402A、N+402Bの間の領域にも存在する。さらに図9(e)および図9(f)に示すように、P404はN+402A、N+402B付近まで伸長するように形成される。各図に示したP404は一体形成されている。これにより、N+402AとP404が近接する領域にはアバランシェ増倍領域1202Aが形成され、N+402BとP404が近接する領域にはアバランシェ増倍領域1202Bが形成される。   P404 is a P-type semiconductor region as a second conductivity type region, and functions as an anode terminal of the photodiodes 201A and 201B. The voltage V2 is applied to P404 via a contact electrode (not shown). As shown in FIGS. 9C and 9D, P404 also exists in a region between N + 402A and N + 402B. Further, as shown in FIGS. 9E and 9F, P404 is formed so as to extend to the vicinity of N + 402A and N + 402B. P404 shown in each figure is formed integrally. Thus, an avalanche multiplication region 1202A is formed in a region where N + 402A and P404 are close, and an avalanche multiplication region 1202B is formed in a region where N + 402B and P404 are close.

図9(a)および図9(b)には、撮影光学系の射出瞳1204を模式的に示している。撮影光学系の射出瞳1204のうち、部分瞳領域1205から出射する光が、画素に入射して、受光領域であるN−epi401で光電変換される平均位置を1203Aおよび1203A’で示す。また、部分瞳領域1206から出射する光が、画素に入射して、受光領域であるN−epi401で光電変換される平均位置を1203Bおよび1203B’で示す。   FIGS. 9A and 9B schematically show the exit pupil 1204 of the photographing optical system. In the exit pupil 1204 of the imaging optical system, the average position where light emitted from the partial pupil region 1205 enters the pixel and is photoelectrically converted by the N-epi 401 as the light receiving region is indicated by 1203A and 1203A '. The average positions where light emitted from the partial pupil region 1206 enters the pixel and is photoelectrically converted by the light receiving region N-epi 401 are indicated by 1203B and 1203B '.

平均位置1203Aまたは1203A’で発生した電子は、ドリフトによってアバランシェ増倍領域1202Aに移動して、アバランシェ増倍される。一方、平均位置1203Bまたは1203B’で発生した電子は、ドリフトによってアバランシェ増倍領域1202Bに移動して、アバランシェ増倍される。1203Aと1203B(1203A’と1203B’)の中間に入射したフォトンによって発生した電子はドリフトによってアバランシェ増倍領域1202A(1202A’)、1202B(1202B’)のいずれかに移動してアバランシェ増倍される。   Electrons generated at the average position 1203A or 1203A 'move to the avalanche multiplication region 1202A due to drift and are avalanche multiplied. On the other hand, electrons generated at the average position 1203B or 1203B 'move to the avalanche multiplication region 1202B due to drift and are avalanche multiplied. Electrons generated by photons incident between 1203A and 1203B (1203A 'and 1203B') move to one of avalanche multiplication regions 1202A (1202A ') and 1202B (1202B') due to drift and are avalanche multiplied. .

図9(a)〜図9(f)においても、O1は受光領域であるN−epi401のx軸方向における中心位置である。また、OA、OBはそれぞれN+402A、N+402Bのx軸方向における中心位置である。また、O1からOAまでの距離をLA、O1からOBまでの距離をLBと表記する。図9(a)に示すように、部分瞳領域1205、1206から入射するフォトンが光電変換される平均位置1203A、1203Bの直上にそれぞれN+402A、N+402Bを形成する。これにより、アバランシェ増倍領域1202A、1202Bの面積を抑制しつつ、フォトンが光電変換される平均位置からアバランシェ増倍領域1202A、1202Bまでの距離を短くすることができる。そのため、光電変換によって生成された電子がアバランシェ増倍領域1202A、1202Bに到達する前に再結合して消滅したり、アバランシェ増倍領域で十分な加速を得られなかったりすることを抑制できる。   9A to 9F, O1 is the center position in the x-axis direction of the N-epi 401 as the light receiving area. OA and OB are the center positions in the x-axis direction of N + 402A and N + 402B, respectively. The distance from O1 to OA is denoted by LA, and the distance from O1 to OB is denoted by LB. As shown in FIG. 9A, N + 402A and N + 402B are formed immediately above the average positions 1203A and 1203B where photons incident from the partial pupil regions 1205 and 1206 are photoelectrically converted. This makes it possible to reduce the distance from the average position where photons are photoelectrically converted to the avalanche multiplication regions 1202A and 1202B, while suppressing the area of the avalanche multiplication regions 1202A and 1202B. Therefore, it is possible to suppress that the electrons generated by the photoelectric conversion recombine and disappear before reaching the avalanche multiplication regions 1202A and 1202B, and that sufficient acceleration cannot be obtained in the avalanche multiplication region.

一方、図9(b)に示す周辺部の画素では、部分瞳領域1205、1206から入射するフォトンが光電変換される平均位置は1203A’、1203B’である。平均位置1203A’、1203B’は、光学中心に位置する図9(a)の画素でフォトンが光電変換される平均位置1203A、1203Bよりも撮影光学系の光軸から遠ざかる方向にずれている。したがって、周辺部の画素では、光軸中心付近の画素よりもN+402A、N+402Bを、撮影光学系の光軸から遠くなる方向にずらして形成する。図9(b)のOA’、OB’はN+402A、N+402Bのx軸方向における中心位置である。ここで、O1からOA’までの距離をLA’、O1からOB’までの距離をLB’と表記すると、LA’<LA、LB’>LBとなる。   On the other hand, in the peripheral pixels shown in FIG. 9B, the average positions where photons incident from the partial pupil regions 1205 and 1206 are photoelectrically converted are 1203A 'and 1203B'. The average positions 1203A 'and 1203B' are shifted in a direction away from the optical axis of the photographing optical system from the average positions 1203A and 1203B where the photons are photoelectrically converted at the pixel in FIG. 9A located at the optical center. Therefore, in the peripheral pixels, N + 402A and N + 402B are formed so as to be shifted from the pixel near the optical axis center in a direction away from the optical axis of the imaging optical system. OA 'and OB' in FIG. 9B are the center positions of N + 402A and N + 402B in the x-axis direction. Here, if the distance from O1 to OA 'is denoted by LA' and the distance from O1 to OB 'is denoted by LB', then LA '<LA, LB'> LB.

図9(b)に示すように、周辺部の画素においても、部分瞳領域1205、1206から入射するフォトンが光電変換される平均位置1203A’、1203B’の直上にN+402A、N+402Bを形成する。これにより、アバランシェ増倍領域1202A’、1202B’もそれぞれフォトンが光電変換される平均位置1203A’、1203B’の直上に形成される。これにより、アバランシェ増倍領域1202A’、1202B’の面積を抑制しつつ、フォトンが光電変換される平均位置からアバランシェ増倍領域1202A’、1202B’までの距離を短くすることができる。そのため、光電変換によって生成された電子がアバランシェ増倍領域1202A’、1202B’に到達する前に再結合して消滅したり、アバランシェ増倍領域で十分な加速を得られなかったりすることを抑制できる。   As shown in FIG. 9B, also in the peripheral pixels, N + 402A and N + 402B are formed immediately above the average positions 1203A 'and 1203B' where the photons incident from the partial pupil regions 1205 and 1206 are photoelectrically converted. Thus, the avalanche multiplication regions 1202A 'and 1202B' are also formed immediately above the average positions 1203A 'and 1203B' where the photons are photoelectrically converted. Thus, the distance from the average position at which photons are photoelectrically converted to the avalanche multiplication regions 1202A 'and 1202B' can be reduced while suppressing the area of the avalanche multiplication regions 1202A 'and 1202B'. Therefore, it is possible to suppress that electrons generated by photoelectric conversion recombine and disappear before reaching the avalanche multiplication regions 1202A ′ and 1202B ′, and that sufficient acceleration cannot be obtained in the avalanche multiplication region. .

また、周辺部の画素においても、光電変換により生成された電子がアバランシェ増倍領域に突入する向きや位置を光軸中心付近の画素と同じにできる。そのため、電子がアバランシェ増倍領域でアバランシェ増倍を発生させるために必要な加速を十分得ることができる。これにより、画素領域の周辺部の画素において、入射フォトンの検出効率が低下することを抑えることができる。さらに、画素内の二つのフォトダイオードの入射フォトンの検出効率の差を低減できる。   Also in the peripheral pixels, the direction and position at which the electrons generated by the photoelectric conversion enter the avalanche multiplication region can be made the same as the pixels near the optical axis center. Therefore, it is possible to sufficiently obtain the acceleration required for the electrons to cause the avalanche multiplication in the avalanche multiplication region. Thus, it is possible to suppress the detection efficiency of the incident photon from being reduced in the pixels in the peripheral portion of the pixel region. Further, the difference between the detection efficiency of the incident photons of the two photodiodes in the pixel can be reduced.

なお、ここでは右側の周辺部303における画素について説明したが、左側の周辺部303における画素領域内の画素については、平均位置のずれる方向が図の左側になる。しかし、O2が光軸中心から遠ざかる方向にずれる点は共通である。なお、本実施例ではN+402A、N+402Bのx軸方向における中心位置の両方をずらす例を示したが、撮像光学系からの光線入射角度によっては、片側だけをずらす構成としてもよい。   Here, the pixels in the right peripheral portion 303 have been described, but for the pixels in the pixel region in the left peripheral portion 303, the direction in which the average position is shifted is on the left side of the drawing. However, it is common that O2 is shifted in a direction away from the optical axis center. In this embodiment, an example is shown in which both the center positions of N + 402A and N + 402B in the x-axis direction are shifted. However, depending on the incident angle of light rays from the imaging optical system, only one side may be shifted.

●(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、マイクロレンズと、受光領域の一部を遮光する遮光膜とを有する構成の画素に対して本発明を適用したものである。本実施形態に係る撮像素子が有する画素の等価回路は第1実施形態(図2)と同様である。
● (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the present invention is applied to a pixel having a configuration including a microlens and a light shielding film that shields a part of a light receiving region. The equivalent circuit of the pixel included in the image sensor according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment (FIG. 2).

撮像領域の一部の画素において、マイクロレンズを介してフォトダイオードに入射する光束の一部を遮光膜によって遮ることで、位相差検出法による焦点検出が可能な実施形態について述べる。   An embodiment in which focus detection by a phase difference detection method is possible by blocking a part of a light beam incident on a photodiode via a microlens with a light-shielding film in some pixels in an imaging region will be described.

図10(a)は、本実施形態に係る撮像素子の画素領域101の模式図であり、第1実施形態と同様の構成要素には図3と同じ参照符号を付してある。本実施形態においても第1実施形態と同様に、光学中心付近と周辺部303とに画素領域を分割する。また、1510は、光軸中心を含む8×8画素の領域を、1520は周辺部に含まれる8×8画素の領域をそれぞれ示している。図10(b)および図10(c)は、画素領域1510および1520の拡大図であり、黒い部分は遮光膜を示している。   FIG. 10A is a schematic diagram of the pixel region 101 of the image sensor according to the present embodiment, and the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as in FIG. In the present embodiment, as in the first embodiment, the pixel region is divided into the vicinity of the optical center and the peripheral portion 303. Reference numeral 1510 denotes an area of 8 × 8 pixels including the center of the optical axis, and reference numeral 1520 denotes an area of 8 × 8 pixels included in the peripheral portion. FIGS. 10B and 10C are enlarged views of the pixel regions 1510 and 1520, and a black portion indicates a light shielding film.

遮光膜は、画素の受光領域の一部を遮光することにより、画素に入射する光を、撮影光学系の射出瞳の特定の部分瞳領域に限定する。従って、図10(b)において、画素1502と1503には、異なる部分瞳領域からの光が入射する。画素1502と1503は位相差検出用の画素データを取得するための専用画素(焦点検出用の画素)である。複数の画素1502から得られる画素データから生成される像信号と、複数の画素1503から得られる画素データから生成される像信号との位相差を検出することにより、撮影光学系のデフォーカス量を求めることができる。一方、遮光膜が設けられていない画素1501は、通常の画素データを取得するための画素(撮影用の画素)である。なお、画素1504および1505は、画素1502および1503よりも開口を大きくした、遮光膜の別の例を示している。図10(c)の画素1501’〜1505’は、それぞれ図10(b)における画素1501〜1505に対応した画素である。なお、実際に画素に設けられる遮光膜の開口の大きさは画素領域全体で1種類であってよい。   The light-shielding film limits light incident on the pixel to a specific partial pupil region of the exit pupil of the imaging optical system by blocking a part of the light receiving region of the pixel. Accordingly, in FIG. 10B, light from different partial pupil regions enters the pixels 1502 and 1503. Pixels 1502 and 1503 are dedicated pixels (focus detection pixels) for acquiring pixel data for phase difference detection. By detecting the phase difference between the image signal generated from the pixel data obtained from the plurality of pixels 1502 and the image signal generated from the pixel data obtained from the plurality of pixels 1503, the defocus amount of the imaging optical system can be reduced. You can ask. On the other hand, the pixel 1501 having no light-shielding film is a pixel (pixel for photographing) for acquiring normal pixel data. Note that pixels 1504 and 1505 show another example of a light-shielding film in which the aperture is larger than those of the pixels 1502 and 1503. The pixels 1501 ′ to 1505 ′ in FIG. 10C correspond to the pixels 1501 to 1505 in FIG. 10B, respectively. Note that the size of the aperture of the light-shielding film actually provided in the pixel may be one type in the entire pixel region.

図10(b)および図10(c)に示すように、画素領域101の一部または全体に、焦点検出用の画素が周期的に配置される。なお、図示した焦点検出用の画素の配置パターンは一例であり、これに限定されない。   As shown in FIG. 10B and FIG. 10C, pixels for focus detection are periodically arranged in a part or the whole of the pixel region 101. Note that the illustrated arrangement pattern of focus detection pixels is an example, and the present invention is not limited to this.

図11(a)〜図11(d)は、光軸中心付近の領域の画素1501〜1504のフォトダイオードのx−z断面図である。また、図11(e)〜図11(h)は、周辺領域の画素1501’〜1504’のフォトダイオードのx−z断面図である。なお、図11(a)〜図11(h)において、第1実施形態と同様の構成要素には図4(a)〜図4(h)と同一の参照符号を付し、説明を省略する。   FIGS. 11A to 11D are xz sectional views of the photodiodes of the pixels 1501 to 1504 in the region near the center of the optical axis. FIGS. 11E to 11H are xz sectional views of the photodiodes of the pixels 1501 ′ to 1504 ′ in the peripheral region. 11 (a) to 11 (h), the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as in FIGS. 4 (a) to 4 (h), and description thereof will be omitted. .

図11(a)〜図11(h)に示す様に、焦点検出用の画素1501〜1505および1501’〜1505’には、カラーフィルタ405とP404との間に、アルミやタングステン等の金属で構成された遮光膜1601〜1604が設けられている。ただし、撮影用の画素1501および1501’に設けられる遮光膜1601は、画素に入射するフォトンの方向(瞳領域)を制限しないように設けられる。一方、焦点検出用の画素1502〜1505および1502’〜1505’は、フォトンの入射方向が、遮光膜1601〜1604の開口部を通過する方向に制限される。   As shown in FIGS. 11A to 11H, the focus detection pixels 1501 to 1505 and 1501 ′ to 1505 ′ are made of a metal such as aluminum or tungsten between the color filter 405 and the P404. The configured light shielding films 1601 to 1604 are provided. Note that the light-blocking film 1601 provided in the imaging pixels 1501 and 1501 'is provided so as not to limit the direction (pupil region) of photons incident on the pixels. On the other hand, in the pixels 1502 to 1505 and 1502 'to 1505' for focus detection, the incident direction of photons is restricted to the direction passing through the openings of the light shielding films 1601 to 1604.

図11(a)〜図11(h)においても、O1は受光領域であるN−epi401のx軸方向における中心位置である。また、O2はN+402のx軸方向における中心位置である。N+402とP404が近接する箇所には、アバランシェ増倍領域407が形成される。   11 (a) to 11 (h), O1 is the center position in the x-axis direction of the N-epi 401 as the light receiving area. O2 is the center position of N + 402 in the x-axis direction. An avalanche multiplication region 407 is formed at a position where N + 402 and P404 are close to each other.

まず、図11(a)〜図11(d)を参照して、光軸中心付近の画素1501〜1504においてアバランシェ増倍領域407を形成する位置について説明する。
図11(a)に示すように、撮影用の画素1501では、O1とO2が合致するようにN+402を形成する。一方、図11(b)および図11(c)に示す様に、焦点検出用の画素1502、1503では、それぞれO1から距離L4、L5だけ反対方向に離れてO2が位置するようにN+402を形成する。なお、光軸中心付近の画素においてはL4=L5である。また、焦点検出用の画素1502、1503よりも広い部分瞳領域を受光するように構成された焦点検出用の画素1504では、O1から距離L6だけ離れてO2が位置するようにN+402を形成する。なお、O2がO1から離れる方向は、遮光膜の開口がO1からずれている方向に等しい。
First, with reference to FIGS. 11A to 11D, a position where the avalanche multiplication region 407 is formed in the pixels 1501 to 1504 near the optical axis center will be described.
As shown in FIG. 11A, in the pixel 1501 for photographing, N + 402 is formed so that O1 and O2 match. On the other hand, as shown in FIG. 11B and FIG. 11C, in the focus detection pixels 1502 and 1503, N + 402 is formed such that O2 is located away from O1 by distances L4 and L5 in opposite directions, respectively. I do. Note that L4 = L5 for pixels near the center of the optical axis. In a focus detection pixel 1504 configured to receive a partial pupil region wider than the focus detection pixels 1502 and 1503, N + 402 is formed such that O2 is located at a distance L6 from O1. The direction in which O2 moves away from O1 is equal to the direction in which the opening of the light-shielding film deviates from O1.

ここで、図11(a)〜図11(d)の1605〜1608は、遮光膜の開口部からN−epi401に入射するフォトンが光電変換される平均位置である。上述の様に、受光領域の中心O1に対するN+402の中心位置O2の距離を制御することにより、画素1501〜1504のいずれについても、フォトンが光電変換される平均位置1605〜1608の直上にアバランシェ増倍領域407が形成される。   Here, reference numerals 1605 to 1608 in FIGS. 11A to 11D denote average positions at which photons incident on the N-epi 401 from the openings of the light shielding film are photoelectrically converted. As described above, by controlling the distance of the center position O2 of N + 402 with respect to the center O1 of the light receiving region, the avalanche multiplication is performed immediately above the average position 1605 to 1608 at which the photon is photoelectrically converted for each of the pixels 1501 to 1504. A region 407 is formed.

したがって、入射したフォトンが光電変換される平均位置からアバランシェ増倍領域までの距離が、焦点検出用の画素1502〜1504と撮影用の画素1501とで等しくなる。また、光電変換により生成された電子がアバランシェ増倍領域に突入する方向や位置も焦点検出用の画素1502〜1504と撮影用の画素1501とで等しくなる。そのため、焦点検出用の画素においてもN+402の中心位置O2を受光領域の中心O1に合致するように形成した場合と比較して、撮影用の画素に対して焦点検出用の画素でフォトンの検出効率が低下することを抑制できる。   Therefore, the distance from the average position where the incident photons are photoelectrically converted to the avalanche multiplication region is equal between the focus detection pixels 1502 to 1504 and the imaging pixel 1501. In addition, the directions and positions at which electrons generated by photoelectric conversion enter the avalanche multiplication region are also equal between the focus detection pixels 1502 to 1504 and the imaging pixel 1501. Therefore, compared with the case where the center position O2 of N + 402 is formed so as to coincide with the center O1 of the light receiving area also in the focus detection pixels, the photon detection efficiency of the focus detection pixels with respect to the imaging pixels is reduced. Can be suppressed from decreasing.

つぎに、図11(e)〜図11(h)を参照して、周辺部の画素1501’〜1504’においてアバランシェ増倍領域407を形成する位置について説明する。
周辺部303の画素では、光軸中心付近の画素領域よりも光の入射角が大きくなる。そのため、受光領域であるN−epi401に入射したフォトンが光電変換される平均位置1609〜1612は、平均位置1605〜1608に比べて、それぞれ光軸中心から遠ざかる方向(図の右側)にずれる。そのため、N+402の中心位置O2を、受光領域の中心O1を基準としてL3’〜L6’だけずらして形成する。なお、L4’<L4、L5’>L5、L6’<L6である。なお、ここでは右側の周辺部303における画素領域1520内の画素について説明したが、左側の周辺部303における画素領域内の画素については、平均位置のずれる方向が図の左側になるため、L4〜L6とL4’〜L6’との大小関係が逆転する。しかし、O2が光軸中心から遠ざかる方向にずれる点は共通である。
Next, a position where the avalanche multiplication region 407 is formed in the peripheral pixels 1501 ′ to 1504 ′ will be described with reference to FIGS.
In the pixels in the peripheral portion 303, the incident angle of light is larger than in the pixel region near the center of the optical axis. Therefore, the average positions 1609 to 1612 where the photons incident on the N-epi 401 as the light receiving region are photoelectrically converted are shifted in the direction (right side in the drawing) away from the center of the optical axis as compared with the average positions 1605 to 1608. Therefore, the center position O2 of N + 402 is formed shifted from L3 'to L6' with respect to the center O1 of the light receiving region. Note that L4 ′ <L4, L5 ′> L5, L6 ′ <L6. Here, the pixels in the pixel region 1520 in the right peripheral portion 303 have been described. However, as for the pixels in the pixel region in the left peripheral portion 303, the shift direction of the average position is on the left side of the drawing, The magnitude relationship between L6 and L4 'to L6' is reversed. However, it is common that O2 is shifted in a direction away from the optical axis center.

本実施形態においても、第1および第2実施形態と同様に、周辺部の画素において、入射フォトンの検出効率が低下することを抑制できる。   Also in the present embodiment, similarly to the first and second embodiments, it is possible to suppress a decrease in the efficiency of detection of incident photons in peripheral pixels.

本実施形態では、光軸中心付近の画素と周辺部の画素とでアバランシェ増倍領域の位置を変えると共に、撮像用画素と焦点検出用の画素とでもアバランシェ増倍領域の位置を変えた例について説明した。しかし、撮像用画素と焦点検出用の画素とだけでアバランシェ増倍領域の位置を変えるように構成してもよい。また、製造誤差によるML406の位置ずれに対応するために、遮光層の開口位置をずらした複数種の焦点検出用の画素を配置する場合は、遮光層の開口位置に合わせてアバランシェ増倍領域が形成されるように、N+402をずらして形成してもよい。   In the present embodiment, an example in which the position of the avalanche multiplication region is changed between the pixel near the optical axis center and the pixel in the peripheral portion, and the position of the avalanche multiplication region is changed between the imaging pixel and the focus detection pixel explained. However, the position of the avalanche multiplication area may be changed only by the imaging pixel and the focus detection pixel. Further, when a plurality of types of focus detection pixels in which the opening positions of the light-shielding layer are shifted are arranged in order to cope with the positional shift of the ML 406 due to a manufacturing error, the avalanche multiplication area is adjusted in accordance with the opening position of the light-shielding layer. N + 402 may be shifted so as to be formed.

以上、本発明を例示的な実施形態に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。特許請求の範囲の記載に包含される全ての変形物は本発明の範囲に含まれる。   As described above, the present invention has been described in detail based on exemplary embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments. All modifications encompassed by the claims are included within the scope of the present invention.

Other Embodiments
上述の実施形態では、発明の趣旨の理解を助けるため、N+402やML406のx軸方向における位置制御についてのみ説明した。しかし、N+402やML406のy軸方向における位置制御も、x軸方向における位置制御と同様に実施することができる。従って、x軸方向におけるN+402やML406の位置制御の代わりに、あるいはそれと組み合わせて、y軸方向におけるN+402やML406の位置制御を行うことができる。x軸方向およびy軸方向の両方についてN+402やML406の位置制御を行う場合、光軸中心からの距離(像高)の大きさによって画素領域を2つ以上の部分領域に分割することができる。また、N+402やML406のずらし量は、領域ごとに異ならせる代わりに、画素ごとに異ならせてもよい。
Other Embodiments
In the above-described embodiment, only the position control of the N + 402 and the ML 406 in the x-axis direction has been described in order to facilitate understanding of the gist of the invention. However, the position control of the N + 402 and the ML 406 in the y-axis direction can be performed similarly to the position control in the x-axis direction. Therefore, instead of or in combination with the position control of N + 402 and ML406 in the x-axis direction, the position control of N + 402 and ML406 in the y-axis direction can be performed. When performing position control of N + 402 or ML406 in both the x-axis direction and the y-axis direction, the pixel area can be divided into two or more partial areas depending on the distance (image height) from the optical axis center. Also, the shift amount of N + 402 or ML406 may be different for each pixel instead of being different for each region.

上述の実施形態では、受光領域であるN−epi401のx軸方向における中心位置O1と、N+402のx軸方向におけるO2が合致するようにN+402を形成するものとした。しかし、実際には、例えば図4(c)や図4(d)に示す、N+402のxy断面(あるいは、PN結合面)が、O1をxy座標を含むように形成されればよい。   In the above embodiment, N + 402 is formed such that the center position O1 in the x-axis direction of the N-epi 401, which is the light receiving region, and the O2 in the x-axis direction of N + 402 coincide. However, actually, it is only necessary that the xy cross section (or PN coupling plane) of N + 402 shown in FIGS. 4C and 4D be formed so that O1 includes the xy coordinates.

同様に、フォトンが光電変換される平均位置の直上にN+402を形成するものとして説明したが、これは、例えば図4(c)や図4(d)に示す、N+402のxy断面(あるいは、PN結合面)が、平均位置のxy座標を含むように形成されればよい。   Similarly, description has been made assuming that N + 402 is formed immediately above the average position where photons are photoelectrically converted. However, this is because, for example, the xy cross section (or PN section) of N + 402 shown in FIGS. The coupling plane may be formed so as to include the xy coordinates of the average position.

なお、別の実施形態において説明した構成は適宜組み合わせることができる。例えば、第3実施形態において、マイクロレンズの位置を制御したり、カラーフィルタの色に応じた平均位置に基づいてN+402の中心位置O2を定めてもよい。   Note that the configurations described in other embodiments can be combined as appropriate. For example, in the third embodiment, the position of the microlens may be controlled, or the center position O2 of N + 402 may be determined based on the average position corresponding to the color of the color filter.

なお、上述した各実施形態においては、画素の像高に応じてアバランシェ増倍領域(N+402)の中心位置O2をx軸およびy軸方向にずらしたが光軸方向(z軸方向)にずらしてもよい。   In each of the above-described embodiments, the center position O2 of the avalanche multiplication area (N + 402) is shifted in the x-axis and y-axis directions according to the image height of the pixel, but is shifted in the optical axis direction (z-axis direction). Is also good.

各実施形態で説明した撮像素子は、様々な用途に用いることができる。図12は、第1〜第3実施形態で説明したフォトンカウンティング方式の撮像素子100を適用した撮像装置の一例としてのカメラ1200の機能構成例を示すブロック図である。   The imaging device described in each embodiment can be used for various applications. FIG. 12 is a block diagram illustrating an example of a functional configuration of a camera 1200 as an example of an imaging device to which the photon counting type imaging device 100 described in the first to third embodiments is applied.

撮影レンズ1201は、フォーカスレンズを含む複数のレンズと、絞りおよび/またはNDフィルタを有する。撮影レンズ1201は着脱可能であってもなくてもよい。撮影レンズ1201は、被写体光学像を撮像素子100の撮像面に形成する撮影光学系である。撮像素子100には例えば原色ベイヤー配列のカラーフィルタが設けられている。   The taking lens 1201 has a plurality of lenses including a focus lens, an aperture, and / or an ND filter. The taking lens 1201 may or may not be removable. The imaging lens 1201 is an imaging optical system that forms an optical image of a subject on the imaging surface of the imaging device 100. The image sensor 100 is provided with, for example, a color filter of a primary color Bayer array.

画像処理回路1203は、撮像素子100から読み出された画像データに対して予め定められた信号処理を適用し、表示用の画像データおよび記録用の画像データを生成する。また、画像処理回路1203は、画像データに信号処理を適用して得られた情報を制御回路1206に出力する。画像処理回路1203は例えば特定の機能を実現するように設計されたASICのような専用のハードウェア回路であってもよいし、DSPのようなプログラマブルプロセッサがソフトウェアを実行することで特定の機能を実現する構成であってもよい。   The image processing circuit 1203 applies predetermined signal processing to image data read from the image sensor 100, and generates display image data and recording image data. The image processing circuit 1203 outputs information obtained by applying signal processing to the image data to the control circuit 1206. The image processing circuit 1203 may be a dedicated hardware circuit such as an ASIC designed to realize a specific function, or may execute a specific function by executing software by a programmable processor such as a DSP. A configuration that realizes this may be used.

ここで、画像処理回路1203が適用する信号処理には、前処理、色補間処理、補正処理、検出処理、データ加工処理、評価値算出処理などが含まれる。前処理には、信号増幅、基準レベル調整、欠陥画素補正などが含まれる。色補間処理は、画素から読み出した画像データに含まれていない色成分の値を補間する処理であり、デモザイク処理とも呼ばれる。補正処理には、ホワイトバランス調整、画像の輝度を補正する処理、撮影レンズ1201の光学収差を補正する処理、色を補正する処理などが含まれる。検出処理には、特徴領域(たとえば顔領域や人体領域)の検出および追尾処理、人物の認識処理などが含まれる。データ加工処理には、スケーリング処理、符号化および復号処理、ヘッダ情報生成処理などが含まれる。評価値算出処理は、制御回路1206が行う自動露出制御処理や自動焦点検出処理に用いる評価値の算出処理である。なお、これらは画像処理回路1203が実施可能な信号処理の例示であり、画像処理回路1203が実施する信号処理を限定するものではない。   Here, the signal processing applied by the image processing circuit 1203 includes preprocessing, color interpolation processing, correction processing, detection processing, data processing processing, evaluation value calculation processing, and the like. The preprocessing includes signal amplification, reference level adjustment, defective pixel correction, and the like. The color interpolation process is a process of interpolating a value of a color component not included in image data read from a pixel, and is also called demosaic process. The correction processing includes white balance adjustment, processing for correcting image brightness, processing for correcting optical aberration of the imaging lens 1201, processing for correcting color, and the like. The detection processing includes detection and tracking processing of a characteristic area (for example, a face area or a human body area), recognition processing of a person, and the like. The data processing includes scaling processing, encoding and decoding processing, header information generation processing, and the like. The evaluation value calculation process is a process of calculating an evaluation value used in the automatic exposure control process and the automatic focus detection process performed by the control circuit 1206. Note that these are examples of signal processing that can be performed by the image processing circuit 1203, and do not limit the signal processing performed by the image processing circuit 1203.

メモリ1204は、画像データのバッファとして用いられたり、画像処理回路1203や制御回路1206のワークエリアとして用いられたり、表示装置1208のビデオメモリとして用いられたりする。また、メモリ1204の一部は不揮発性であり、制御回路1206が実行するプログラムおよび設定値、カメラ1200の設定値、UI表示用データなどの記憶に用いられる。   The memory 1204 is used as a buffer for image data, used as a work area for the image processing circuit 1203 and the control circuit 1206, and used as a video memory of the display device 1208. A part of the memory 1204 is non-volatile, and is used for storing programs and setting values executed by the control circuit 1206, setting values of the camera 1200, UI display data, and the like.

記録回路1205は、制御回路1206の制御に従い、例えば半導体メモリカードである記録媒体1209に対してデータファイルの書き込みおよび読み出しを実行する。
表示装置1208は例えばフラットパネルディスプレイであり、制御回路1206から供給される表示信号に基づく画像、例えばライブビュー画像やメニュー画面などを表示する。なお、表示装置1208はタッチディスプレイであってもよい。
The recording circuit 1205 writes and reads a data file to and from a recording medium 1209, for example, a semiconductor memory card, under the control of the control circuit 1206.
The display device 1208 is, for example, a flat panel display, and displays an image based on a display signal supplied from the control circuit 1206, such as a live view image or a menu screen. Note that the display device 1208 may be a touch display.

操作回路1207はスイッチ、ボタン、タッチパッド、ダイヤルなどの入力デバイス群であり、ユーザがカメラ1200に指示を与えるために用いられる。操作回路1207に含まれる入力デバイスのそれぞれには、固定的もしくは動的に機能が割り当てられる。それにより入力デバイスは、シャッターボタン、動画記録/停止ボタン、メニューボタン、方向キー、決定ボタン、動作モード切り替えダイヤルなどとして機能する。なお、表示装置1208がタッチディスプレイの場合、タッチパネルとGUIとの組み合わせによって実現されるソフトキーは操作回路1207が有する入力デバイス群に含まれる。   An operation circuit 1207 is a group of input devices such as a switch, a button, a touch pad, and a dial, and is used by a user to give an instruction to the camera 1200. Functions are fixedly or dynamically assigned to each of the input devices included in the operation circuit 1207. Thereby, the input device functions as a shutter button, a moving image recording / stop button, a menu button, a direction key, an enter button, an operation mode switching dial, and the like. Note that when the display device 1208 is a touch display, soft keys realized by a combination of a touch panel and a GUI are included in an input device group included in the operation circuit 1207.

制御回路1206は例えばCPUなどのプログラマブルプロセッサである。制御回路1206は、メモリ1204が有する不揮発性メモリに記憶されているプログラムをメモリ1204のシステムメモリに展開して実行し、各部の動作を制御してカメラ1200の機能を実現する。例えば制御回路1206は、操作回路1207の操作が検出されると、検出された操作に応じた動作を実行する。   The control circuit 1206 is, for example, a programmable processor such as a CPU. The control circuit 1206 develops a program stored in a nonvolatile memory included in the memory 1204 into a system memory of the memory 1204, executes the program, and controls the operation of each unit to realize the function of the camera 1200. For example, when an operation of the operation circuit 1207 is detected, the control circuit 1206 executes an operation according to the detected operation.

制御回路1206は、撮像素子100の動作を制御する。例えば制御回路1206は、撮影モードに応じて撮像素子100の読み出しモードを決定し、決定した読み出しモードに応じた制御信号を出力するようにTG104の動作を制御する。撮影モードには例えば静止画読み出しモード、動画読み出しモードがある。また、制御回路1206は、撮影する画像の解像度やフレームレートの設定に応じて読み出しモードを決定してもよい。例えば、読み出しモードに応じて、読み出す画素の数や、画素信号の加算数や間引き数などが異なってよい。   The control circuit 1206 controls the operation of the image sensor 100. For example, the control circuit 1206 determines the read mode of the image sensor 100 according to the shooting mode, and controls the operation of the TG 104 so as to output a control signal according to the determined read mode. The shooting mode includes, for example, a still image reading mode and a moving image reading mode. Further, the control circuit 1206 may determine the reading mode according to the setting of the resolution and the frame rate of the image to be shot. For example, the number of pixels to be read, the number of added pixel signals, the number of thinned pixels, and the like may differ depending on the read mode.

なお、実施形態に係る撮像素子100は、他の用途にも適用可能である。例えば、撮像素子100は赤外光、紫外光、X線等の可視光以外のセンシングに用いることが可能である。また、TOF(Time Of Flight)方式で距離を計測するための撮像装置、スマートフォン、ゲーム機、パーソナルコンピュータ、タブレット機器などに設けられる撮像装置にも適用可能である。さらに、内視鏡や血管撮像を行う医療機器や、肌や頭皮を観察する美容機器、スポーツやアクション動画を撮像するためのビデオカメラに適用もできる。そして、交通や船舶監視やドライブレコーダー等の交通目的カメラ、天体観測や検体観察等の学術用途カメラ、カメラ付き家電製品、マシンビジョン等にも適用可能である。特にマシンビジョンとして、工場等におけるロボットには限られず、農業や漁業での活用も可能である。   Note that the image sensor 100 according to the embodiment can be applied to other uses. For example, the imaging element 100 can be used for sensing other than visible light such as infrared light, ultraviolet light, and X-ray. Further, the present invention can be applied to an imaging device for measuring a distance by a TOF (Time Of Flight) method, an imaging device provided in a smartphone, a game machine, a personal computer, a tablet device, and the like. Furthermore, the present invention can be applied to a medical device for imaging an endoscope or a blood vessel, a beauty device for observing the skin or the scalp, and a video camera for capturing sports or action moving images. The present invention is also applicable to traffic purpose cameras such as traffic and ship monitoring and drive recorders, cameras for academic use such as astronomical observation and sample observation, home appliances with cameras, and machine vision. In particular, machine vision is not limited to robots in factories and the like, but can be used in agriculture and fisheries.

100…撮像素子、201…フォトダイオード、202…クエンチ抵抗、203…反転バッファ、204…カウンタ回路、300…撮影光学系の光軸中心、301…光軸中心付近の画素、302…周辺部の画素、407、1202…アバランシェ増倍領域 Reference numeral 100 denotes an image sensor, 201 denotes a photodiode, 202 denotes a quench resistor, 203 denotes an inversion buffer, 204 denotes a counter circuit, 300 denotes the center of the optical axis of the photographing optical system, 301 denotes a pixel near the center of the optical axis, and 302 denotes a pixel in a peripheral portion. , 407, 1202 ... Avalanche multiplication area

Claims (18)

入射光に基づく光電変換により電荷を生成する光電変換領域と、前記光電変換により生成された電荷によってアバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域とを有する画素を行列状に複数配置した画素領域を備え、
前記画素領域に配列された各画素の平面視において、前記アバランシェ増倍領域のサイズは前記光電変換領域のサイズよりも小さく、
前記画素領域に配列された画素のうち、前記画素領域の周辺領域に配置された少なくとの一部の画素における前記アバランシェ増倍領域の位置が、前記画素領域の中央領域に配置された画素における前記アバランシェ増倍領域の位置に対してずれた位置に形成される、ことを特徴とする撮像素子。
A pixel region in which a plurality of pixels having a photoelectric conversion region that generates an electric charge by photoelectric conversion based on incident light and an avalanche multiplication region that generates an avalanche multiplication by the electric charge generated by the photoelectric conversion is arranged in a matrix. ,
In a plan view of each pixel arranged in the pixel region, the size of the avalanche multiplication region is smaller than the size of the photoelectric conversion region,
Of the pixels arranged in the pixel region, the position of the avalanche multiplication region in at least some of the pixels arranged in the peripheral region of the pixel region is the position of the pixel arranged in the central region of the pixel region. An image pickup element formed at a position shifted from a position of the avalanche multiplication area.
前記画素領域に配列された画素のうち、予め定められた画素の前記アバランシェ増倍領域の位置が、他の画素の前記アバランシェ増倍領域の位置よりも、前記画素領域の基準位置から遠ざかる方向にずれた位置に形成されることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。   Among the pixels arranged in the pixel region, the position of the avalanche multiplication region of a predetermined pixel is more distant from the reference position of the pixel region than the position of the avalanche multiplication region of another pixel. The imaging device according to claim 1, wherein the imaging device is formed at a shifted position. 前記画素はさらに、第1の電圧が印加される第1導電型領域と、前記第1導電型領域と結合面を形成し第2の電圧が印加される第2導電型領域とを有し、
前記第1導電型領域または第2導電型領域を形成する位置によって、前記アバランシェ増倍領域が形成される位置を制御することを特徴とする請求項2に記載の撮像素子。
The pixel further includes a first conductivity type region to which a first voltage is applied, and a second conductivity type region that forms a coupling surface with the first conductivity type region and to which a second voltage is applied,
The imaging device according to claim 2, wherein a position at which the avalanche multiplication region is formed is controlled by a position at which the first conductivity type region or the second conductivity type region is formed.
前記予め定められた画素において前記第1導電型領域または第2導電型領域を形成する位置が、前記光電変換領域において光電変換が生じる平均位置に基づくことを特徴とする請求項3に記載の撮像素子。   4. The imaging device according to claim 3, wherein a position where the first conductivity type region or the second conductivity type region is formed in the predetermined pixel is based on an average position where photoelectric conversion occurs in the photoelectric conversion region. 5. element. 前記平均位置が、画素に設けられたカラーフィルタの色に応じた波長の光の侵入長に基づくことを特徴とする請求項4に記載の撮像素子。   The imaging device according to claim 4, wherein the average position is based on a penetration length of light having a wavelength corresponding to a color of a color filter provided in the pixel. 前記アバランシェ増倍領域の位置のずれの大きさが、前記予め定められた画素と前記基準位置との距離に基づくことを特徴とする請求項2、4、5のいずれか1項に記載の撮像素子。   The imaging apparatus according to claim 2, wherein the magnitude of the positional deviation of the avalanche multiplication area is based on a distance between the predetermined pixel and the reference position. element. 前記予め定められた画素が、前記基準位置からの距離が閾値以上である画素であることを特徴とする請求項2、4、5いずれか1項に記載の撮像素子。   The imaging device according to claim 2, wherein the predetermined pixel is a pixel whose distance from the reference position is equal to or greater than a threshold. 前記画素がマイクロレンズをさらに有し、
前記予め定められた画素については、前記マイクロレンズの中心を、前記基準位置に近づく方向にずれた位置に形成することを特徴とする請求項2、4、5のいずれか1項に記載の撮像素子。
The pixel further has a microlens,
The imaging apparatus according to claim 2, wherein the predetermined pixel is formed such that a center of the micro lens is shifted in a direction approaching the reference position. element.
前記画素がマイクロレンズをさらに有し、
前記予め定められた画素が前記基準位置からの距離が閾値以上である画素であり、
前記予め定められた画素と、前記予め定められた画素よりも前記基準位置との距離が短い画素の一部については、前記マイクロレンズの中心を、前記基準位置に近づく方向にずれた位置に形成することを特徴とする請求項2、4、5のいずれか1項に記載の撮像素子。
The pixel further has a microlens,
The predetermined pixel is a pixel whose distance from the reference position is equal to or greater than a threshold,
For the predetermined pixels, and for some of the pixels whose distance from the predetermined position to the reference position is shorter than the predetermined pixels, the center of the microlens is formed at a position shifted in a direction approaching the reference position. The imaging device according to any one of claims 2, 4, and 5, wherein:
前記マイクロレンズの位置のずれの大きさが、前記予め定められた画素と前記基準位置との距離に基づくことを特徴とする請求項8に記載の撮像素子。   The imaging device according to claim 8, wherein the magnitude of the displacement of the position of the microlens is based on a distance between the predetermined pixel and the reference position. 前記マイクロレンズの位置のずれの大きさが、前記予め定められた画素と前記基準位置との距離に基づくことを特徴とする請求項9に記載の撮像素子。   The imaging device according to claim 9, wherein the magnitude of the displacement of the position of the microlens is based on a distance between the predetermined pixel and the reference position. 前記予め定められた画素が複数のアバランシェ増倍領域を有し、前記複数のアバランシェ増倍領域のそれぞれが、前記アバランシェ増倍領域の位置よりも、前記基準位置から遠ざかる方向にずれた位置に形成されることを特徴とする請求項2、4、5のいずれか1項に記載の撮像素子。   The predetermined pixel has a plurality of avalanche multiplication regions, and each of the plurality of avalanche multiplication regions is formed at a position shifted in a direction away from the reference position from a position of the avalanche multiplication region. The imaging device according to claim 2, wherein the imaging is performed. 前記予め定められた画素が、受光領域の一部を遮光する遮光膜を有する画素であり、
前記アバランシェ増倍領域の位置のずれの大きさが、前記遮光膜が有する開口部の位置に基づくことを特徴とする請求項2、4、5のいずれか1項に記載の撮像素子。
The predetermined pixel is a pixel having a light shielding film that shields a part of the light receiving region,
The imaging device according to claim 2, wherein the magnitude of the positional deviation of the avalanche multiplication region is based on a position of an opening of the light shielding film.
前記基準位置が、撮影光学系の光軸と前記画素領域とが交差する光軸中心であることを特徴とする請求項2、4、5のいずれか1項に記載の撮像素子。   The image sensor according to claim 2, wherein the reference position is a center of an optical axis at which an optical axis of a photographing optical system intersects with the pixel region. 前記基準位置が、前記画素領域の中心であることを特徴とする請求項2、4、5のいずれか1項に記載の撮像素子。   The imaging device according to claim 2, wherein the reference position is a center of the pixel region. 光電変換により生成された電荷によってアバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域と、前記アバランシェ増倍のための電圧を印加するための電極とを有する画素を複数配置された画素領域を備え、
前記画素領域に配列された画素のうち、少なくとの一部の画素における前記電極の位置が、他の画素における前記電極の位置に対して異なる位置に形成される、ことを特徴とする撮像素子。
An avalanche multiplication region that generates avalanche multiplication by electric charges generated by photoelectric conversion, and a pixel region in which a plurality of pixels having an electrode for applying a voltage for the avalanche multiplication are arranged.
An image pickup device, wherein the positions of the electrodes in at least some of the pixels arranged in the pixel region are formed at positions different from the positions of the electrodes in other pixels. .
光電変換により生成された電荷によってアバランシェ増倍を発生させるアバランシェ増倍領域を有する画素を複数配置された画素領域を備え、
前記画素領域に配列された画素のうち、少なくとの一部の画素における前記アバランシェ増倍領域の位置が、他の画素における前記アバランシェ増倍領域の位置に対して異なる位置に形成される、ことを特徴とする撮像素子。
A pixel region in which a plurality of pixels having an avalanche multiplication region that generates avalanche multiplication by electric charges generated by photoelectric conversion is provided,
Of the pixels arranged in the pixel region, the position of the avalanche multiplication region in at least some of the pixels is formed at a position different from the position of the avalanche multiplication region in another pixel. An imaging element characterized by the above-mentioned.
請求項1から17のいずれか1項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子の読み出しモードを制御するためのプロセッサと、
を備えることを特徴とする撮像装置。
An image sensor according to any one of claims 1 to 17,
A processor for controlling a read mode of the image sensor,
An imaging device comprising:
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