JP2021119610A - Photodetector and lidar device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、光検出器およびこれを用いたライダー装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a photodetector and a lidar device using the photodetector.
シリコンフォトマルチプライア(以下、SiPMとも云う)は、アバランシェフォトダイオード(以下、APD)を2次元的にアレイ状に配列した光検出素子である。このAPDに、APDの降伏電圧よりも高い逆バイアス電圧を印加することにより動作させ、ガイガーモードと呼ばれる領域で駆動される。ガイガーモード時のAPDの利得は105〜106のオーダで、非常に高いため、光子1個の微弱な光でさえ計測可能となる。SiPMは、高い逆バイアス電圧にて駆動させるため、APDの空乏層の厚みは2μm〜3μm、逆バイアス電圧は100V以下が一般的である。このSiPMの分光感度特性はシリコンの吸収特性に依存するところが大きく、400nm〜600nmに感度ピークを持ち、800nm以上の近赤外の波長帯域ではほとんど感度を有さない。 A silicon photomultiplier (hereinafter, also referred to as SiPM) is a photodetector in which an avalanche photodiode (hereinafter, APD) is two-dimensionally arranged in an array. The APD is operated by applying a reverse bias voltage higher than the yield voltage of the APD, and is driven in a region called Geiger mode. In APD gain is 105 to 106 the order of the Geiger mode, because very high, even a measurable with single photon weak light. Since SiPM is driven by a high reverse bias voltage, the thickness of the depletion layer of the APD is generally 2 μm to 3 μm, and the reverse bias voltage is generally 100 V or less. The spectral sensitivity characteristic of SiPM largely depends on the absorption characteristic of silicon, has a sensitivity peak in the range of 400 nm to 600 nm, and has almost no sensitivity in the near-infrared wavelength band of 800 nm or more.
一方、シリコンを用いた光検出素子においては、空乏層を数十μmとなるように非常に厚くし、近赤外の波長帯域に感度を持たせるデバイスが知られている。しかし、この場合、駆動電圧が数百Vと非常に高くなり、SiPMのようにAPDの微細アレイ化は実現できていない。 On the other hand, in a photodetector using silicon, a device is known in which the depletion layer is made extremely thick so as to be several tens of μm to have sensitivity in the near infrared wavelength band. However, in this case, the drive voltage becomes extremely high at several hundreds of volts, and unlike SiPM, a fine array of APDs has not been realized.
また、シリコン基板内の裏面を、レーザ加工技術によって凹凸をつけた散乱面とし、吸収されない光を反射させる構造とした光検出素子が知られている。しかし、近赤外の波長帯域の光にとって散乱反射面となる構造を制御良く形成することは、困難である。更に、この場合、専用のレーザ加工装置、プロセスが必要となり、コスト高となってしまう。また、ダイオードを形成するシリコン層に機械的な加工を施すことは、欠陥層を形成することと等価であり、光検出器の電気特性としてその安定性や歩留まり、再現性に課題がある。 Further, there is known a photodetector having a structure in which the back surface of a silicon substrate is made into a scattering surface having irregularities by a laser processing technique to reflect unabsorbed light. However, it is difficult to controlably form a structure that becomes a scattering reflection surface for light in the near infrared wavelength band. Further, in this case, a dedicated laser processing device and process are required, resulting in high cost. Further, mechanically processing the silicon layer forming the diode is equivalent to forming a defect layer, and there are problems in its stability, yield, and reproducibility as the electrical characteristics of the photodetector.
本実施形態は、近赤外の波長帯域の光の検出感度が高い光検出器およびこれを用いたライダー装置を提供する。 The present embodiment provides a photodetector having high detection sensitivity for light in the near-infrared wavelength band and a lidar device using the photodetector.
本実施形態による光検出器は、第1面および前記第1面と向かい合う第2面を持ち、第1導電型の第1半導体領域と前記第1半導体領域上に設けられた第2導電型の第2半導体領域を含む半導体層を有するアバランシェフォトダイオードを備えた光検出素子と、前記アバランシェフォトダイオードを囲むように設けられ、前記半導体層を貫通する素子分離と、前記半導体層の前記第1面の第1領域上に絶縁層を介して設けられた反射部材と、前記半導体層のうち、前記反射部材が設けられた前記半導体層の前記第1面の前記第領域と異なる第2領域に電気的に接続する配線と、を備えている。 The photodetector according to the present embodiment has a first surface and a second surface facing the first surface, and is a first conductive type first semiconductor region and a second conductive type provided on the first semiconductor region. A photodetector having an avalanche photodiode having a semiconductor layer including a second semiconductor region, an element separation provided so as to surround the avalanche photodiode and penetrating the semiconductor layer, and the first surface of the semiconductor layer. A reflective member provided on the first region of the semiconductor layer via an insulating layer, and a second region of the semiconductor layer different from the first region of the first surface of the semiconductor layer provided with the reflective member are electrically charged. It is equipped with wiring to connect to the target.
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
第1実施形態による光検出器の模式的な断面を図1に示す。この第1実施形態の光検出器1は、SOI(Silicon On Insulator)基板10に設けられ、光を検出し電気信号に変換する複数(図1上では2個)の光検出素子20a、20bを備えた光検出領域30と、光検出素子20a、20bによって変換された電気信号を処理するトランジスタ50、60を含む周辺回路(CMOS回路とも云う)を備えた周辺領域40と、を有している。SOI基板10は、シリコン支持基板11と、埋め込み酸化膜(以下、BOXともいう)12と、活性層となるn型半導体層13とが、この順序で積層された積層構造を有している。
(First Embodiment)
A schematic cross section of the photodetector according to the first embodiment is shown in FIG. The
光検出素子20aは、n型半導体層13の一部分と、n型半導体層13の一部分上に設けられたp+半導体層21aと、p−型半導体層22の一部分と、p−型半導体層22の一部分上に設けられたp+半導体層23aと、p+半導体層23a上に設けられた光反射部材24aと、p+半導体層23a上に設けられたコンタクト25aと、コンタクト25aに接続する配線部26aと、配線部26aに接続するクエンチ抵抗27aと、を備えている。なお、光検出素子20aが設けられたp−型半導体層22の一部分上に不純物領域(導電体領域)41が設けられている。
The
また、光検出素子20bは、n型半導体層13の一部分と、n型半導体層13の一部分上に設けられたp+半導体層21bと、p−型半導体層22の一部分と、p−型半導体層22の一部分上に設けられたp+半導体層23bと、p+半導体層23b上に設けられた光反射部材24bと、p+半導体層23b上に設けられたコンタクト25bと、コンタクト25bに接続する配線部26bと、配線部26bに接続するクエンチ抵抗27bと、を備えている。この実施形態においては、光検出素子20a、20bは、縦型のフォトダイオードを形成する。
Further, the
光検出領域30におけるn型半導体層13に対して、光検出素子20a、20bが設けられた側と反対側には、シリコン支持基板11および埋め込み絶縁膜12を貫通しかつn型半導体層13の一部の領域が露出する開口78が設けられている。露出したn型半導体層13の一部の領域上には、透明な電極80が設けられている。この透明な電極80は、対象となる近赤外線(例えば、波長850nm)を透過する電極材料、例えばITO(Indium Tin Oxide)から形成され、複数の光検出素子20a、20bの共通な電極となる。
開口78が設けられた側から光が光検出器1に入射する。
The n-
Light enters the
トランジスタ50は、p−型半導体層22の一部分の領域に離間して設けられたソース52aおよびドレイン52bと、ソース52aとドレイン52bとの間のp−型半導体層22の領域(チャネル領域)上に設けられたゲート絶縁膜54と、ゲート絶縁膜54上に設けられたゲート電極56と、を備えている。
The
トランジスタ60は、p−型半導体層22の一部分の領域に離間して設けられたソース62aおよびドレイン62bと、ソース62aとドレイン62bとの間のp−型半導体層22の領域(チャネル領域)上に設けられたゲート絶縁膜64と、ゲート絶縁膜64上に設けられたゲート電極66と、を備えている。
The
光検出領域30におけるクエンチ抵抗27a、27bと、周辺領域40におけるトランジスタ50、60は、層間絶縁膜72によって覆われている。光検出領域30における層間絶縁膜72上に配線26a、26bが設けられている。配線26aの一端は、層間絶縁膜72に設けられたコンタクト25aを介してp+半導体層23aに接続し、他端は、層間絶縁膜72に設けられたコンタクト25cを介してクエンチ抵抗27aに接続する。配線26bの一端は、層間絶縁膜72に設けられたコンタクト25bを介してp+半導体層23bに接続し、他端は、層間絶縁膜72に設けられたコンタクト25dを介してクエンチ抵抗27bに接続する。
The
周辺領域40における層間絶縁膜72上に配線46a、46b、46cが設けられ、これらの配線46a、46b、46cはそれぞれ、層間絶縁膜72に設けられたコンタクト44a、44b、44cを介してソース52a、ドレイン52b、ソース62aに接続される。なお、配線46bは、コンタクト42を介して不純物領域41に接続される。
Wiring 46a, 46b, 46c is provided on the
光検出領域30における配線26a、26bおよび周辺領域40における配線46a、46b、46cは層間絶縁膜74に覆われる。なお、層間絶縁膜72、74には、光検出素子20a、20bの反射部材24a、24bが設けられる領域上には開口が設けられ、反射部材24a、24bが露出している。これらの反射部材24a、24bはそれぞれ、薄い絶縁層77a、77bを介してp+半導体層23a、23b上に設けられる。これらの反射部材24a、24bは可視光から近赤外線光までの波長範囲の光を反射する材料で形成される。
The
光検出素子20aと、トランジスタ50が設けられた周辺領域40との間には素子分離85aが設けられ、光検出素子20bとトランジスタ60が設けられた周辺領域40との間には素子分離85bが設けられている。これらの素子分離85a、85bは、DTI(Deep Trench Isolation)からなっている。これらの素子分離85a、85bは、n型半導体層13およびp−半導体層22を貫通するように設けられている。また、素子分離85a、85bは、光検出領域30を取り囲むように形成してもよい。
An
また、層間絶縁膜74には第1開口および第2開口が設けられている。第1開口および第2開口にはそれぞれ、パッド92、94が設けられている。パッド92は、貫通電極90に接続される。パッド94は、層間絶縁膜72に設けられたコンタクト44dを介してトランジスタ60のドレイン62bに接続される。
Further, the
上述したように、光検出素子20a、20bは縦型のフォトダイオードを形成している。このため、光検出素子20a、20bの上下の端子で電位が印加する。光検出素子20a、20bの表面用電極は、光検出素子20a、20bのアノードやCMOS回路のI/O端子と結線されている。光検出素子20a、20bのカソードに相当する裏面用電極80は、別途形成される。ここでは、後にカソードとなる電極80とコンタクトをとり、表面に引き出すための配線として貫通電極90が設けられている。この貫通電極90の端部を光検出器1の表面へ接続するように構成される。
As described above, the
すなわち、貫通電極90は、層間絶縁膜72、p−半導体層22、およびn型半導体層13を貫通して電極80に通じる電極である。貫通電極90は、導体の周囲が絶縁体で覆われた構造を有しており、この絶縁体によってn型半導体層13およびp―型半導体層22と貫通電極90の導体とが電気的に絶縁される。
That is, the through
このように構成された光検出器1は、複数の光検出素子を有している。これらの光検出素子は、一般的に図2に示すようにアレイ状に配列される。図2は、光検出素子20a、20b、20c、20dが2×2のアレイ状に配列された場合の上面を模式的に示した図である。図2にからわかるように、光検出素子20a、20b、20c、20dはそれぞれ、各光検出素子の周囲の一部を取り囲むようにクエンチ抵抗27a、27b、27c、27dが設けられている。光検出素子20a、20b、20c、20dとクエンチ抵抗27a、27b、27c、27dの一端とがそれぞれ、配線26a、26b、26c、26dを介して接続される。また、図2に示すように、行方向(図2の横方向)に隣接する光検出素子20a、20b間、および隣接する光検出素子20c、20d間には、配線98が設けられている。この配線98には、クエンチ抵抗26a、26b、26c、26dの他端が接続される。すなわち、本実施形態においては、アレイ状に配列された複数の光検出素子20a、20b、20c、20dは、並列に接続されている。
The
このように構成された光検出器1は、SiPM(Silicon Photomultiplier)となる。
また、各光検出素子20a、20b、20c、20dは、アバランシェフォトダイオード(以下、APDとも云う)となる。
The
Further, each
次に、本実施形態の光検出器1の動作について図1を参照して説明する。各光検出素子20a、20bに逆バイアスを印加する。この逆バイアスは、図1に示すパッド92と図2に示す配線98との間に印加される。パッド92に印加された電位は、貫通電極90、電極80を介してn型半導体層13に印加され、配線98に印加された電位はクエンチ抵抗27a、27b、コンタクト25c、25d、配線26a、26b、およびコンタクト25a、25bを介してp+半導体層23a、23bにそれぞれ印加される。
Next, the operation of the
電極80を介して光検出器1に入射された光は、光検出素子20a、20bのそれぞれの、n型半導体層13の一部分とp+半導体層21a、21bとの界面近傍の空乏層において電子と正孔との対(電子−正孔対)が生成される。逆バイアスが印加されているので、生成された電子はn型半導体層13に流れ、生成された正孔はp+半導体層23a、23bに流れる。しかし、一部の電子および正孔はp−半導体層22およびp+半導体層23a、23bにおいて他の原子と衝突し、新たな電子−正孔対を生成する。この新たに生成された電子と正孔が更に他の原子と衝突し、また新たな電子−正孔対を生成するという連鎖反応が起こる。すなわち、入射した光によって生じた光電流が増倍されるアバランシェ増倍が生じる。この増倍された光電流は、クエンチ抵抗27a、27bおよび配線98を介して図示しない読み出し回路によって検出される。また、p+半導体層23a、23bに流れた正孔の一部は反射部材24a、24bによって反射され、p−半導体層22に流れ、他の原子と衝突し、新たな電子−正孔対の発生に寄与する。すなわち、反射部材24a、24bを設けたことにより、アバランシェ増倍の割合をより高くすることができる。このように、p+半導体層23a、23bはアバランシェ層となる。
The light incident on the
なお、光検出素子からの信号を処理する、上記読み出し回路を含むアナログフロントエンド回路、およびガイガー放電を能動的に停止させることを可能にするアクティブクエンチ回路等は、周辺領域40に形成される。
An analog front-end circuit including the above-mentioned readout circuit that processes a signal from the photodetector element, an active quench circuit that enables the Geiger discharge to be actively stopped, and the like are formed in the
(製造方法)
次に、第1実施形態の光検出器の製造方法について図3乃至図11を参照して説明する。
(Production method)
Next, the method of manufacturing the photodetector of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 3 to 11.
まず、図3に示すように、SOI基板10を用意する。このSOI基板10は、Si支持基板11、BOX12、および活性層(n型半導体層)13がこの順序で積層された構造を有している。n型半導体層13上にp−半導体層22をエピタキシャル成長により形成する。続いて、光検出領域30と周辺領域40とを分離する素子分離85a、85bを形成する。素子分離85a、85bはDTIで形成される。このDTIは、p−半導体層22およびn型半導体層13を貫通し、BOXに達する開孔を形成し、この開孔の側面を酸化することにより、形成される。
First, as shown in FIG. 3, the
次に、p−半導体層22の一部分の領域、すなわち光検出素子が形成される領域がp+半導体層21a、21bとなるように、不純物(例えばボロン)を注入する。これによって、SOI基板10の活性層13の部分に複数の光検出素子を構成するp+半導体層21a、21bが形成される(図4)。そして、図4に示すように、各光検出素子が形成される領域が干渉しないように、隣接する光検出素子間に素子分離29を形成する。この素子分離29としては、例えば局所酸化素子分離構造(LOCOS(Local Oxidation of Silicon))を用いることができる。
Next, impurities (for example, boron) are injected so that a part of the p-
また、図4に示すように、p−半導体層22上に図示しない第1マスクを形成し、この第1マスクを用いてn型不純物を注入することにより、周辺領域40となるp−半導体層22に、ソース52aおよびドレイン52bと、ソース62aおよびドレイン62bと、を形成するとともに、光検出領域となるp−半導体層22に不純物領域41を形成する。
上記第1マスクを除去した後、p−半導体層22上に図示しない第2マスクを形成する。
この第2マスクを用いてp型不純物を注入することにより、光検出領域となるp−半導体層22にp+半導体層23a、23bを形成する。これにより、光検出素子20a、20bの光検出部が形成される。上記第2マスクを除去した後、ソース52aとドレイン52bとの間のチャネルとなるp−半導体層22上にゲート絶縁膜54を形成するとともに、ソース62aとドレイン62bとの間のチャネルとなるp−半導体層22上にゲート絶縁膜64を形成する。続いて、ゲート絶縁膜54、64上にゲート電極56、66をそれぞれ形成する。
Further, as shown in FIG. 4, a first mask (not shown) is formed on the p-
After removing the first mask, a second mask (not shown) is formed on the p-semiconductor layer 22.
By implanting p-type impurity using the second mask, the photodetection region p - semiconductor layer 22 p +
その後、光検出素子20a、20bのそれぞれの光検出部の周囲の一部分に近接して、光検出素子20a、20bに直列に接続されるクエンチ抵抗27a、27bを形成する。
このクエンチ抵抗27a、27bは、図4に示すように、素子分離29上にも形成される。
After that, the quench
The quenching
続いて、図4に示すように、クエンチ抵抗27a、27bを覆うように、p−半導体層22上に絶縁膜72を形成する。リソグラフィー技術を用いて絶縁膜72に、ソース52a、ドレイン52b、不純物領域41、p+半導体層23a、23b、クエンチ抵抗27a、27b、ソース62a、およびドレイン62bにそれぞれ接続する開孔を形成し、これらの開孔を導電性材料、例えば、タングステンで埋め込み、コンタクト44a、44b、42、25a、25b、25c。25d、44c、44dを形成する。また、リソグラフィー技術を用いて、絶縁膜72、p−半導体層22、およびn型半導体層13を貫通し、BOX12に到達する開孔を形成する。この開孔の側面を酸化して絶縁膜を形成した後、側面が酸化された開孔を導電体材料、例えばタングステンで埋め込み、貫通電極90を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 4, an insulating
次いで、リソグラフィー技術を用いて、絶縁膜72上に配線46a、46b、26a、26b、46c、46dと、パッド92と、を形成する。その後、これらの配線46a、46b、26a、26b、46c、46dおよびパッド92を覆うように、絶縁膜74を形成する。
Next, the
次に、図5に示すように、絶縁膜74上に、例えばフォトレジストからなるマスク75を形成する。このマスク75には、光検出素子20a、20bのそれぞれのp+半導体層23a、23bの直上に開孔が形成されている。マスク75における上記開孔の形成には例えばドライエッチングが用いてられる。このマスク75を用いて絶縁膜74を例えばCF4等の反応ガスを用いてエッチングし、絶縁膜74に開孔76a、76bを形成する。
このとき、開孔76a、76bの底面に、例えば厚さが1μmの薄い絶縁層77a、77bを残置する。この残置する絶縁層77a、77bの制御には、ドライエッチングの時間を制御することにより行う。
Next, as shown in FIG. 5, a
At this time, thin insulating
次に、図6に示すように、絶縁層77a、77b上に反射部材24a、24bを形成する。この反射部材24a、24bは、Ag、Al、Au、Cu、Ni、Pt、Ti、Cr、Mo、Wのうちから選択された少なくとも1つの金属の材料が用いられる。反射部材24a、24bの形成には例えばスパッタリング等が用いられる。金属膜をスパッタリング等によって成膜した後、金属膜の表面をエッチングまたはレーザの照射等により反射部材24a、24bの表面に3次元的な凹凸を形成してもよい。このような凹凸を形成することにより、正孔等の反射をより行うことができる。
Next, as shown in FIG. 6, the
次に、図6に示すマスク75を除去した後、例えばフォトレジストを絶縁膜74上に塗布する。フォトリソグラフィー技術を用いてフォトレジストに開孔を形成し、マスク120をする。開孔は、表面電極用のパッド94および裏面電極用のパッド92の直上に位置する。このマスク120を用いて絶縁膜74をドライエッチングし、パッド94およびパッド92の表面を露出する(図7)。その後、マスク120を除去する。
Next, after removing the
次に、図8に示すように、反射部材が形成された側の面にフォトレジストからなる保護材122を形成するとともに、支持基板側にフォトレジストからなるマスク124を形成する。マスク124は、光検出領域30に対応する領域に開孔を有している。このマスク124を用いて支持基板11をドライエッチングする。このドライエッチングには、例えば、SF6等の反応ガスを用いることができる。このドライエッチングにおいて、シリコン11と酸化膜12とのエッチング選択比を有する反応ガスを用いた場合、BOXをエッチングストップ膜として用いることができる。なお、シリコン支持基板11が十分に厚い場合は、バックグラインディングおよびCMP(Chemical Mechanical Polishing)のような研磨プロセス、またはウェットエッチングを併用してもよい。ウェットエッチングを用いる場合は、エッチャントにKOHまたはTMAH(Tetra-methyl-ammonium hydroxide)を使用することができる。これにより支持基板11に開孔78が形成され、BOX12が露出する。
Next, as shown in FIG. 8, a
次に、図9に示すように、露出したBOX12をエッチングにより除去し、n型半導体層13の一部分、すなわち光検出領域30に対応する部分を露出する。このエッチングには、フッ酸等によるウェットエッチングを用いることができる。このようなウェットエッチングを用いることで、シリコンとのエッチング選択比を十分に確保し、露出したBOX12を選択的に除去することができる。
Next, as shown in FIG. 9, the exposed
次に、図10に示すように、露出したn型半導体層13の表面に透明な電極80を形成する。この電極80の材料として例えばITOを用い、例えばスパッタリングで形成する。この電極80は貫通電極90と電気的に接続する。続いて、保護材122を除去することにより、図1に示す光検出器1が完成する。
Next, as shown in FIG. 10, a
このように、n型半導体層13の表面に透明電極80を形成することにより、光検出素子20a、20bの共通カソードとして電位を取ることが可能になり、このカソードに貫通電極90を介して光検出素子20a、20bの表面側からバイアスを印加できる構造を形成することができる。
By forming the
また、上記製造方法により、SOI基板10を用いて、n型半導体層13およびp−半導体層領域22を備えた、光検出領域30とCMOS回路領域40を混載することができる。
Further, according to the above manufacturing method, the
なお、上記製造方法においては、貫通電極90は、光検出素子20a、20b、およびCMOS回路の形成時に同時に形成している。しかし、貫通電極90の製造順序は、この限りでなく、光検出素子20a、20bおよびCMOS回路の形成後に形成しても良い。
In the above manufacturing method, the through
また、上記製造方法においては、図5,図6に示すように、光検出素子20a、20bおよび周辺領域40を形成後に、開口を形成し、極薄い絶縁層77a、77b上に金属からなる反射部材24a、24bを形成している。しかし、図11に示すように、光検出領域30および周辺領域40の形成時に反射部材24a、24bを形成しても良い。このとき、反射部材24a、24bとしてWSi、TiSi、CoSi、NiSi等シリサイド材料を用いことができる。また、一般的な多層配線工程でビア開口のプロセスを用いて開口し、この開口にTi、W等のバリアメタルを埋め込むように形成してもよい。
Further, in the above manufacturing method, as shown in FIGS. 5 and 6, after forming the
また、反射部材24a、24bは、図12に示すように、光検出素子20a、20bおよび周辺領域40を形成後に、開口を形成し、極薄い絶縁膜自体をエッチングやレーザ照射により凹凸形状を形成し、その後、反射部材24a、24bの材料を充填しても良い。
反射部材24a、24bは、AuめっきまたはCuめっきで形成することができる。また、Ag、Al、Au、Cu、Ni、Pt、Ti、Cr、W等から選択された少なくとも1つの金属元素をスパッタリングにより形成しても良い。
Further, as shown in FIG. 12, the
The
次に、図13を参照して、光検出素子20のガイガー放電を能動的に停止させることを可能にするアクティブクエンチ回路について説明する。図13は、アクティブクエンチ回路の一例を示す回路図である。ガイガーモードで動作する光検出素子20と、クエンチング抵抗27を直列に接続し、アクティブクエンチ用のリセットトランジスタ130を並列に接続し、光検出素子20のアノード端には、信号を増幅するアンプ回路140が接続される。アンプ回路140は、トランジスタ142と、このトランジスタ142と直列に接続された電流源144とを備えている。
Next, with reference to FIG. 13, an active quenching circuit that enables the Geiger discharge of the
アンプ回路140の出力端は、リセットトランジスタ130のゲートに接続する。また、リセットトランジスタ130のソースは光検出素子20のアノード端子とアンプ回路140との間に接続する。一方、リセットトランジスタ130のドレインは低速アナログパスの出力端子とクエンチ抵抗27との間に接続する。高速アナログ信号の読み出し手段として、光検出素子20のアノード端子にACカップリングによる直流成分除去用キャパシタ150を設けている。
The output end of the
アンプ回路140は光検出素子20のアノード端子の電位を増幅し、電源レベルの信号を、高速ディジタルパスを介して出力する。アンプ回路140からの出力は、リセットトランジスタ130のゲートにフィードバックされる。これにより、リセットトランジスタ130が駆動され、リセット動作を行う。放電動作が終了すると、光検出素子20のアノード端子はリセットレベルとなり、アンプ回路140の出力もGNDレベルにリセットされる。これにより、クエンチ抵抗27と光検出素子20の空乏層との容量による放電時定数よりも高速にリセットすることができる。
The
このように構成された第1実施形態の光検出器によれば、従来の空乏層の厚みでは吸収されなかった光を基板の表面(光の入射面と反対側の面)に設けられた反射部材で反射させ、実行光路長を長くすることが可能となり、光の吸収率を増加することができる。 According to the photodetector of the first embodiment configured in this way, light that is not absorbed by the thickness of the conventional depletion layer is reflected on the surface of the substrate (the surface opposite to the incident surface of the light). It is possible to increase the execution optical path length by reflecting it with a member, and it is possible to increase the light absorption rate.
また、基板の裏面から光を入射させるため、従来、入射側に設けられ開口率を制約していた、クエンチ抵抗および信号配線等の影響がなく、開口率を大幅に向上することができる。 Further, since the light is incident from the back surface of the substrate, the aperture ratio can be significantly improved without being affected by the quench resistance, the signal wiring, and the like, which are conventionally provided on the incident side and restrict the aperture ratio.
また、従来の構造に対して、反射部材の形成と基板研磨による薄層化することが異なるため、デバイス駆動の条件はもちろん、新規のデバイス設計やプロセス開発を必要としない。従って、プロセスの再現性も高く、またコスト高になる懸念もなく、吸収率の増加と開口率の増加によって近赤外波長帯域の感度を大幅に向上することができる。 Further, since the formation of the reflective member and the thinning by polishing the substrate are different from the conventional structure, not only the device driving conditions but also new device design and process development are not required. Therefore, the reproducibility of the process is high, and there is no concern that the cost will be high, and the sensitivity in the near-infrared wavelength band can be significantly improved by increasing the absorption ratio and the aperture ratio.
また、反射部材をダイオード(光検出素子)が形成されたシリコン表面では無く、ダイオードが形成されたシリコン層に極めて薄い絶縁膜等を介した領域に、反射部材を設けたことで、ダイオードが形成されたシリコンでの結晶欠陥の発生等を回避することができる。さらに、SiPMを形成する基板にSOIを用いることで、縦型APDとCMOSの混載を可能にすることができる。 In addition, the diode is formed by providing the reflective member not on the silicon surface on which the diode (photodetector) is formed, but on the region of the silicon layer on which the diode is formed via an extremely thin insulating film or the like. It is possible to avoid the occurrence of crystal defects in the silicon. Further, by using SOI for the substrate on which SiPM is formed, it is possible to enable mixed loading of vertical APD and CMOS.
以上説明したように、本実施形態によれば、近赤外の波長帯域の光の検出感度が高い光検出器を提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a photodetector having high detection sensitivity of light in the near infrared wavelength band.
(第2実施形態)
第2実施形態による光検出器の断面を図14に示す。
(Second Embodiment)
A cross section of the photodetector according to the second embodiment is shown in FIG.
第1実施形態では、光検出領域30と、CMOS回路領域(周辺領域)を、一つのSOI基板上に形成していた。
In the first embodiment, the
第2実施形態の光検出器1Aは、光検出領域30を第1基板に形成し、CMOS回路40を第2基板に形成した後、第1基板と第2基板とを、光検出領域30が形成された面とCMOS回路40が形成された面とが対向するように貼り合わせた構造を有している。したがって、第1実施形態と異なり、光検出領域30が形成される第1基板に、SOI基板以外の基板を用いることができる。この第2実施形態においては、第1基板としてn型半導体層13Aが用いられ、第2基板としてp型半導体層200が用いられている。
In the
この第2実施形態の光検出器1Aは、複数の光検出素子20a、20bを有している。
The
光検出素子20aは、n型半導体層13Aの一部分と、n型半導体層13Aの一部分上に設けられたp+半導体層21aと、p−型半導体層22の一部分と、p−型半導体層22の一部分上に設けられたp+半導体層23aと、p+半導体層23a上に設けられた光反射部材24aと、p+半導体層23a上に設けられたコンタクト25aと、コンタクト25aに接続する配線部26aと、配線部26aに接続するクエンチ抵抗27aと、を備えている。なお、光検出素子20aが設けられたp−型半導体層22の一部分上に不純物領域(導電体領域)41が設けられている。
The
また、光検出素子20bは、n型半導体層13Aの一部分と、n型半導体層13Aの一部分上に設けられたp+半導体層21bと、p−型半導体層22の一部分と、p−型半導体層22の一部分上に設けられたp+半導体層23bと、p+半導体層23b上に設けられた光反射部材24bと、p+半導体層23b上に設けられたコンタクト25bと、コンタクト25bに接続する配線部26bと、配線部26bに接続するクエンチ抵抗27bと、を備えている。この実施形態においては、光検出素子20a、20bはそれぞれ、縦型のフォトダイオードを形成する。
Further, the
光検出領域30におけるn型半導体層13Aに対して、光検出素子20a、20bが設けられた側と反対側には、透明な電極80が設けられている。この透明な電極80は、対象となる近赤外線(例えば、波長850nm)を透過する電極材料、例えばITO(Indium Tin Oxide)から形成され、複数の光検出素子20a、20bの共通な電極となる。透明電極80が設けられた側から光が光検出器1Aに入射する。これらの複数の光検出素子20a、20bは、第1実施形態と同様に、並列に接続される。
A
光検出領域30におけるクエンチ抵抗27a、27bと、p−半導体層22の一部分上に設けられた不純物領域(導電体領域)41は、層間絶縁膜72によって覆われている。
光検出領域30における層間絶縁膜72上に配線26a、26bが設けられている。配線26aの一端は、層間絶縁膜72に設けられたコンタクト25aを介してp+半導体層23aに接続し、他端は、層間絶縁膜72に設けられたコンタクト25cを介してクエンチ抵抗27aに接続する。配線26bの一端は、層間絶縁膜72に設けられたコンタクト25bを介してp+半導体層23bに接続し、他端は、層間絶縁膜72に設けられたコンタクト25dを介してクエンチ抵抗27bに接続する。
The quenching
周辺領域40における層間絶縁膜72上に配線46が設けられる。なお、配線46は、コンタクト42を介して不純物領域41に接続される。
The
光検出領域30における配線26a、26bおよび配線46は層間絶縁膜74に覆われる。なお、層間絶縁膜72、74には、光検出素子20a、20bの反射部材24a、24bが設けられる領域上には開口が設けられ、反射部材24a、24bが露出している。
これらの反射部材24a、24bはそれぞれ、薄い絶縁層77a、77bを介してp+半導体層23a、23b上に設けられる。
The
These reflective members 24a and 24b are provided on the p + semiconductor layers 23a and 23b via thin insulating
また、層間絶縁膜74には開口が設けられている。この開口にはパッド92が設けられている。パッド92は、貫通電極90に接続される。
Further, the
上述したように、光検出素子20a、20bは縦型のフォトダイオードを形成している。このため、光検出素子20a、20bの上下の端子で電位が印加する。光検出素子20a、20bの表面用電極は、光検出素子20a、20bのアノードやCMOS回路のI/O端子と結線される。光検出素子20a、20bのカソードに相当する裏面用電極80は、別途形成される。ここでは、後にカソードとなる電極80とコンタクトをとり、表面に引き出すための配線として貫通電極90が設けられている。この貫通電極90の端部を光検出器1の表面へ接続するように構成される。
As described above, the
すなわち、貫通電極90は、層間絶縁膜72、p−半導体層22、およびn型半導体層13を貫通して電極80に通じる電極である。貫通電極90は、導体の周囲が絶縁体で覆われた構造を有しており、この絶縁体によってn型半導体層13Aおよびp―型半導体層22と貫通電極90の導体とが電気的に絶縁される。
That is, the through
一方、CMOS回路は、p型半導体層200に設けられ、例えば、nチャネルMOSトランジスタ250、260、270を備えている。
On the other hand, the CMOS circuit is provided in the p-
トランジスタ250は、p型半導体層200に離間して設けられたソース252aおよびドレイン252bと、ソース252aとドレイン252bとの間に設けられたゲート絶縁膜254と、ゲート絶縁膜254上に設けられたゲート電極256と、を備えている。
トランジスタ260は、p型半導体層200に離間して設けられたソース262aおよびドレイン262bと、ソース262aとドレイン262bとの間に設けられたゲート絶縁膜264と、ゲート絶縁膜264上に設けられたゲート電極266と、を備えている。トランジスタ270は、p型半導体層200に離間して設けられたソース272aおよびドレイン272bと、ソース272aとドレイン272bとの間に設けられたゲート絶縁膜274と、ゲート絶縁膜274上に設けられたゲート電極276と、を備えている。
The
The
トランジスタ260、270は、複数の光検出素子20a、20bが設けられた領域に対応するp型半導体層200の領域に設けられ、例えば、複数の光検出素子20a、20bによって検出されて信号を読み出す読み出し回路を構成する。トランジスタ250は、読み出し回路によって読み出された信号を処理にする処理回路を構成する。トランジスタ250が設けられた領域と、トランジスタ260、270が設けられた領域とは、DITからなる素子分離285a、285bによって素子分離される。なお、素子分離285a、285bは、トランジスタ260、270を取り囲むように形成してもよい。
The
トランジスタ250、260、270は絶縁膜220によって覆われる。この絶縁膜220上には、トランジスタ250、260、270のそれぞれのソースおよびドレインと接続する配線280、282、284等が設けられている。これらの配線は、絶縁膜22に設けられたコンタクトを介してソースおよびドレインと接続される。
The
また、p型半導体層200には貫通電極230が設けられている。この貫通電極230はp型半導体層200および絶縁膜220を貫通する開口に設けられ、この開口の側面が酸化され、側面が酸化された開口を例えば金属等の導電体で埋め込むことによって形成される。貫通電極230は、絶縁膜220上に設けられた配線284と電気的に接続する。
Further, the p-
CMOS回路40の配線282と光検出領域30の配線46は、接続配線290aによって接続される。また、CMOS回路40の貫通電極230に接続する配線284と、光検出領域30の貫通電極90に接続するパッド92は、接続配線290bによって接続される。
The
このように構成された第2実施形態も、第1実施形態と同様に、従来の空乏層の厚みでは吸収されなかった光を基板の表面(光の入射面と反対側の面)に設けられた反射部材で反射させ、実効光路長を長くすることが可能となり、光の吸収率を増加することができる。 In the second embodiment configured in this way, as in the first embodiment, light that is not absorbed by the thickness of the conventional depletion layer is provided on the surface of the substrate (the surface opposite to the incident surface of the light). It is possible to increase the effective optical path length by reflecting it with a reflective member, and it is possible to increase the light absorption rate.
また、基板の裏面から光を入射させるため、従来、入射側に設けられ開口率を制約していた、クエンチ抵抗および信号配線等の影響がなく、開口率を大幅に向上することができる。 Further, since the light is incident from the back surface of the substrate, the aperture ratio can be significantly improved without being affected by the quench resistance, the signal wiring, and the like, which are conventionally provided on the incident side and restrict the aperture ratio.
また、光検出領域が形成される基板と、CMOS回路が形成される基板とを異なる基板とすることにより、デバイス駆動の条件はもちろん、新規のデバイス設計やプロセス開発を必要としない。したがって、プロセスの再現性も高く、またコスト高になる懸念もなく、吸収率の増加と開口率の増加によって近赤外波長帯域の感度を大幅に向上することができる。 Further, by using different substrates for the substrate on which the light detection region is formed and the substrate on which the CMOS circuit is formed, not only the device driving conditions but also new device design and process development are not required. Therefore, the reproducibility of the process is high, and there is no concern that the cost will be high, and the sensitivity in the near-infrared wavelength band can be significantly improved by increasing the absorption ratio and the aperture ratio.
また、反射部材をダイオード(光検出素子)が形成されたシリコン表面では無く、ダイオードが形成されたシリコン層に極めて薄い絶縁膜等を介した領域に、反射部材を設けたことで、ダイオードが形成されたシリコンでの結晶欠陥の発生等を回避することができる。 In addition, the diode is formed by providing the reflective member not on the silicon surface on which the diode (photodetector) is formed, but on the region of the silicon layer on which the diode is formed via an extremely thin insulating film or the like. It is possible to avoid the occurrence of crystal defects in the silicon.
以上説明したように、第2実施形態によれば、近赤外の波長帯域の光の検出感度が高い光検出器を提供することができる。 As described above, according to the second embodiment, it is possible to provide a photodetector having high detection sensitivity of light in the near infrared wavelength band.
(第3実施形態)
第3実施形態によるライダー(Laser Imaging Detection and Ranging)装置を図15に示す。この第3実施形態のライダー装置は、レーザ光がターゲットまでを往復してくる時間を計測し、距離に換算する光飛行時間測距法(Time of Flight)を採用した距離画像センシングシステムであり、車載ドライブ−アシストシステム、リモートセンシング等に応用される。
(Third Embodiment)
A Laser Imaging Detection and Ranging device according to a third embodiment is shown in FIG. The lidar device of the third embodiment is a distance image sensing system that employs an optical flight time distance measurement method (Time of Flight) that measures the time it takes for a laser beam to make a round trip to a target and converts it into a distance. In-vehicle drive-applied to assist systems, remote sensing, etc.
図15に示すように、この第3実施形態のライダー装置は、投光ユニットと、受光ユニットとを備えている。投光ユニットは、レーザ光を発振するレーザ光発振器300と、発振されたレーザ光を駆動する駆動回路310と、駆動されたレーザ光の一部を参照光として取り出すとともにその他のレーザ光を、ミラー340を介して対象物400に照射する光学系320と、走査ミラー340を制御して対象物400にレーザ光を照射する走査ミラーコントローラ330と、を備えている。
As shown in FIG. 15, the lidar device of the third embodiment includes a light emitting unit and a light receiving unit. The floodlight unit takes out a
受光ユニットは、光学系320によって取り出された参照光を検出する参照光用光検出器350と、対象物400からの反射光を受光する光検出器380と、参照光用光検出器350によって検出された参照光と、光検出器380によって検出された反射光とに基づいて、対象物400までの測距を行う距離計測回路(TOF(Time Of Flight)回路とも云う)370と、距離計測回路370によって測距された結果に基づいて、対象物を画像として認識する画像認識システム360と、を備えている。本実施形態においては、参照光用光検出器350および光検出器380としては、第1または第2実施形態の光検出器が用いられる。
The light receiving unit is detected by a
第1および第2実施形態の光検出器は、近赤外線領域で良好な感度を示す。このため、第3実施形態のライダー装置は、人が不可視の波長帯域への光源に適用することが可能となり、例えば、車向け障害物検知に用いることができる。 The photodetectors of the first and second embodiments show good sensitivity in the near infrared region. Therefore, the rider device of the third embodiment can be applied to a light source in a wavelength band invisible to humans, and can be used, for example, for obstacle detection for automobiles.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, as well as in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1、1A 光検出器
10 SOI基板
11 支持基板
12 埋め込み絶縁膜(BOX)
13、13A n型半導体層
20a、20b 光検出素子
21a、21b p+半導体層
22 p−型半導体層(エピタキシャル層)
23a、23b p+半導体層
24a、24b 反射部材
25a、25b、25c、25d コンタクト
26a、26b 配線
27a、27b クエンチ抵抗
29 絶縁膜(素子分離)
30 光検出領域
40 周辺領域(CMOS回路領域)
50 トランジスタ
52a ソース
52b ドレイン
54 ゲート絶縁膜
56 ゲート電極
60 トランジスタ
62a ソース
62b ドレイン
64 ゲート絶縁膜
66 ゲート電極
72 層間絶縁膜
74 層間絶縁膜
77a、77b 絶縁層
78 開口
80 電極(透明電極)
85a、85b 素子分離(DTI)
90 貫通電極
1,
13, 13A n-
23a, 23b p + semiconductor layer 24a, 24b
30
50
85a, 85b element separation (DTI)
90 through silicon via
Claims (10)
前記アバランシェフォトダイオードを囲むように設けられ、前記半導体層を貫通する素子分離と、
前記半導体層の前記第1面の第1領域上に絶縁層を介して設けられた反射部材と、
前記半導体層のうち、前記反射部材が設けられた前記半導体層の前記第1面の前記第1領域と異なる第2領域に電気的に接続する配線と、
を備えた光検出器。 A semiconductor layer having a first surface and a second surface facing the first surface and including a first conductive type first semiconductor region and a second conductive type second semiconductor region provided on the first semiconductor region. A photodetector equipped with an avalanche photodiode
An element separation provided so as to surround the avalanche photodiode and penetrating the semiconductor layer,
A reflective member provided on the first region of the first surface of the semiconductor layer via an insulating layer, and
Of the semiconductor layers, wiring that electrically connects to a second region of the semiconductor layer provided with the reflective member, which is different from the first region of the first surface of the semiconductor layer.
Photodetector equipped with.
発振されたレーザ光を駆動する駆動回路と、
走査ミラーと、
前記駆動回路によって駆動されたレーザ光の一部を参照光として取り出すとともにその他のレーザ光を前記走査ミラーを介して対象物に照射する光学系と、
前記走査ミラーを制御して前記対象物にレーザ光を照射するコントローラと、
前記光学系によって取り出された参照光を検出する第1光検出器と、
前記対象物からの反射光を受光する第2光検出器と、
第1光検出器によって検出された参照光と前記第2光検出器によって検出された反射光とに基づいて前記対象物までの測距を行う距離計測回路と、
前記距離計測回路によって測距された結果に基づいて前記対象物を画像として認識する画像認識システムと、
を備え、前記第2光検出器は請求項1乃至9のいずれかに記載の光検出器であるライダー装置。 A laser beam oscillator that oscillates laser light and
The drive circuit that drives the oscillated laser beam and
Scanning mirror and
An optical system that extracts a part of the laser light driven by the drive circuit as reference light and irradiates the object with other laser light through the scanning mirror.
A controller that controls the scanning mirror to irradiate the object with laser light.
A first photodetector that detects the reference light extracted by the optical system,
A second photodetector that receives the reflected light from the object,
A distance measurement circuit that measures the distance to the object based on the reference light detected by the first photodetector and the reflected light detected by the second photodetector.
An image recognition system that recognizes the object as an image based on the result of distance measurement by the distance measurement circuit.
The second photodetector is a lidar device which is the photodetector according to any one of claims 1 to 9.
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