JP2022023393A - 光検出装置、光検出システム - Google Patents
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Abstract
【課題】光検出の時間分解能を改善できる光検出装置を提供することができる。【解決手段】基板に設けられ、複数の光電変換素子間に配されたトレンチ分離部と、を備え、複数の光電変換素子のそれぞれは、アバランシェダイオードを含み、アバランシェダイオードは、前記基板の第１面から第１の深さに配され、第１導電型の第１半導体領域と、第２の深さに配された第２導電型の第２半導体領域と、第３の深さに配され、前記第１半導体領域および前記第２半導体領域の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する第３半導体領域と、を含み、前記トレンチ分離部は、導電体と、導電体とアバランシェダイオードとの間に配された絶縁体と、を含み、トレンチ分離部の側壁に、第２導電型の電荷が蓄積された第２導電型層を形成し、第２導電型層と第２半導体領域とが接する。【選択図】図４
Description
本発明は、光電変換を行う光検出装置、および光検出システムに関する。
複数のＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）画素が平面的に配置されるように形成された画素アレイを含む光検出装置が知られている。ＳＰＡＤ画素では、半導体領域内のＰＮ接合領域において、単一光子に起因した光電荷がアバランシェ増倍を起こす。
特許文献１には、アバランシェダイオードを有する半導体基板において、隣接する画素間を分離する画素間分離部がメタル膜および絶縁膜により構成されることが開示されている。また、特許文献１には、絶縁膜に接し且つ基板の入射面の一部を構成するように連続的に形成されたピニング層と、ピニング層の内側に形成されたホール蓄積層とからなるＰ型半導体領域を設ける構成が開示されている。
特許文献１に記載の光検出装置においては、半導体領域内で生成された光電荷が、アバランシェ増倍を起こすＰＮ接合領域に到達するまでの時間にばらつきが生じる可能性がある。これは、Ｐ型半導体領域内では信号電荷に対するポテンシャルの勾配がつきにくく、Ｐ型半導体領域内にある光電荷がＰ型半導体領域から出るまでの時間にばらつきが生じることが一因であると想定される。これにより、光電荷の検出が終わるまでの時間にばらつきが生じ、光検出の時間分解能が低くなる。
基板に複数の光電変換素子が平面視で２次元アレイ状に配された画素アレイ部と、前記基板に設けられ、前記複数の光電変換素子間に配されたトレンチ分離部と、を備え、前記複数の光電変換素子のそれぞれは、アバランシェダイオードを含み、前記アバランシェダイオードは、前記基板の第１面から第１の深さに配され、信号電荷と同じ導電型の電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記第１の深さよりも前記基板の第１面からの距離が長く、前記第１面に対向する第２面までの距離が前記第１面までの距離よりも短い第２の深さに配された第２導電型の第２半導体領域と、前記第１の深さよりも深く前記第２の深さよりも浅い第３の深さに配され、前記第１半導体領域および前記第２半導体領域の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する第３半導体領域と、を含み、前記トレンチ分離部は、導電体と、前記導電体と前記アバランシェダイオードとの間に配された絶縁体と、を含み、前記トレンチ分離部の側壁に、前記第３半導体領域が有する第２導電型の電荷が蓄積された第２導電型層を形成し、前記第２導電型層と前記第２半導体領域とが接するように構成されている。
基板に複数の光電変換素子が平面視で２次元アレイ状に配された画素アレイ部と、前記基板に設けられ、前記複数の光電変換素子間に配されたトレンチ分離部と、を備え、前記複数の光電変換素子のそれぞれは、アバランシェダイオードを含み、前記アバランシェダイオードは、前記基板の第１面から第１の深さに配され、信号電荷と同じ導電型の電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記第１の深さよりも前記基板の第１面からの距離が長く、前記第１面に対向する第２面までの距離が前記第１面までの距離よりも短い第２の深さに配された第２導電型の第２半導体領域と、前記第１の深さよりも深く前記第２の深さよりも浅い第３の深さに配され、前記第１半導体領域の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する第１導電型の第３半導体領域と、を含み、前記トレンチ分離部は、導電体と、前記導電体と前記アバランシェダイオードとの間に配された絶縁体と、を含み、前記トレンチ分離部と前記第３半導体領域とが接する。
基板に複数の光電変換素子が平面視で２次元アレイ状に配された画素アレイ部と、前記基板に設けられ、前記複数の光電変換素子間に配されたトレンチ分離部と、を備え、前記複数の光電変換素子のそれぞれは、アバランシェダイオードを含み、前記アバランシェダイオードは、前記基板の第１面から第１の深さに配され、信号電荷と同じ導電型の電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記第１の深さよりも前記基板の第１面からの距離が長く、前記第１面に対向する第２面までの距離が前記第１面までの距離よりも短い第２の深さに配された第２導電型の第２半導体領域と、を含み、前記トレンチ分離部には酸化ハフニウム層、酸化アルミニウム層、酸化ジルコニウム層、酸化チタン層、酸化タンタル層、及び、酸化ルテニウム層の少なくともいずれか１つからなる誘電体層が配されている。
基板に複数の光電変換素子が平面視で２次元アレイ状に配された画素アレイ部と、前記基板に設けられ、前記複数の光電変換素子間に配されたトレンチ分離部と、を備え、前記複数の光電変換素子のそれぞれは、アバランシェダイオードを含み、前記アバランシェダイオードは、前記基板の第１面から第１の深さに配され、信号電荷と同じ導電型の電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記第１の深さよりも前記基板の第１面からの距離が長く、前記第１面に対向する第２面までの距離が前記第１面までの距離よりも短い第２の深さに配された第２導電型の第２半導体領域と、を含み、前記トレンチ分離部には負の固定電荷を有する誘電体が配されている。
基板に複数の光電変換素子が平面視で２次元アレイ状に配された画素アレイ部と、前記基板に設けられ、前記複数の光電変換素子間に配されたトレンチ分離部と、を備え、前記複数の光電変換素子のそれぞれは、アバランシェダイオードを含み、前記トレンチ分離部には酸化ハフニウム層、酸化アルミニウム層、酸化ジルコニウム層、酸化チタン層、酸化タンタル層、及び、酸化ルテニウム層の少なくともいずれか１つからなる第１誘電体層が配され、前記基板は第１面と前記第１面に対向する第２面とを有し、前記基板の第２面には酸化ハフニウム層、酸化アルミニウム層、酸化ジルコニウム層、酸化チタン層、酸化タンタル層、及び、酸化ルテニウム層の少なくともいずれか１つからなる第２誘電体層が配される。
基板に複数の光電変換素子が平面視で２次元アレイ状に配された画素アレイ部と、前記基板に設けられ、前記複数の光電変換素子間に配されたトレンチ分離部と、を備え、前記複数の光電変換素子のそれぞれは、アバランシェダイオードを含み、前記トレンチ分離部には負の固定電荷を有する第１誘電体が配され、前記基板は第１面と前記第１面に対向する第２面とを有し、前記基板の第２面には負の固定電荷を有する第２の誘電体が配される。
本発明によれば、光検出の時間分解能を改善できる光検出装置を提供することができる。
以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、本発明を限定するものではない。各図面が示す部材の大きさや位置関係は、説明を明確にするために誇張していることがある。以下の説明において、同一の構成については同一の番号を付して説明を省略することがある。
図１および図２を用いて各実施形態における光検出装置に共通する構成を説明する。光検出装置はアバランシェダイオードを含むＳＰＡＤ画素を有する。アバランシェダイオードで生じる電荷対のうち信号電荷として用いられる電荷の導電型を第１導電型と呼ぶ。また、第１導電型と反対の導電型を第２導電型と呼ぶ。以下では、信号電荷が電子であり、第１導電型がＮ型、第２導電型がＰ型である例を説明するが、信号電荷が正孔であり、第１導電型がＰ型、第２導電型がＮ型であってもよい。
図１は、光検出装置１０００のブロック図である。光検出装置１０００は、画素アレイ部１１１、水平走査回路部１０５、信号線１０４、垂直走査回路部１０３を有している。
画素アレイ部１１１には、ＳＰＡＤ画素１１０（以下、画素という）を構成するアバランシェダイオードが平面視で２次元アレイ状に複数配されている。１つの画素１１０は、光電変換部１０１および画素信号処理部１０２から構成される。なお、画素１１０は、少なくとも光電変換部１０１を含んでいればよい。具体的には、画素１１０とは、光電変換部１０１を含み、繰り返し配された構成のうちの１つである。光電変換部１０１は、光を電気信号へと変換する。画素信号処理部１０２は、変換した電気信号を信号線１０４へ出力する。
垂直走査回路部１０３および水平走査回路部１０５は、各画素１１０に制御パルスを供給する。垂直走査回路部１０３にはシフトレジスタやアドレスデコーダといった論理回路が用いられる。
信号線１０４は、垂直走査回路部１０３により選択された画素１１０から出力されたデジタル信号を電位信号として、画素１１０の後段の回路に供給する。
図１において、画素アレイ部１１１における画素１１０の配列は１次元状に配されていてもよい。また、垂直走査回路部１０３、水平走査回路部１０５は、画素アレイ部１１１を複数の画素列をブロックに分けて、ブロック毎に配置してもよい。また、各画素列に配してもよい。
画素信号処理部１０２の機能は、必ずしも全ての画素１１０に１つずつ設けられる必要はなく、例えば複数の画素１１０によって１つの画素信号処理部１０２が共有され、順次信号処理が行われてもよい。また、画素信号処理部１０２は、光電変換部１０１の開口率を高めるために、少なくとも一部を光電変換部１０１と異なる半導体基板（第２基板）に設けてもよい。この場合、光電変換部１０１と画素信号処理部１０２は、画素毎に設けられた接続配線を介して電気的に接続される。第１基板に光電変換部１０１のアバランシェダイオードを配し、その他の構成を第２基板に配することが好ましい。以下の各実施形態では、アバラシェダイオードが第１基板に設けられ、波形整形部等の回路が第２基板に設けられ、第１基板と第２基板とが積層されている例で説明する。垂直走査回路部１０３、水平走査回路部１０５、及び、信号線１０４は、第２基板に設けられていてもよい。
図２は、本実施形態における等価回路を含む画素１１０のブロック図である。図２において、１つの画素１１０は光電変換部１０１および画素信号処理部１０２により構成される。
光電変換部１０１は、１つまたは複数のアレイ化されたアバランシェダイオード２０１、クエンチ素子２０２、及び、波形整形部２０３を有する。
アバランシェダイオード２０１は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。アバランシェダイオード２０１は、光電変換素子である。アバランシェダイオード２０１のカソードにはアノードに供給される電位ＶＬよりも高い電位ＶＨに基づく電位が供給される。そしてアバランシェダイオード２０１のアノードとカソードには、アバランシェダイオード２０１に入射したフォトンがアバランシェ増倍されるような逆バイアスがかかるように電位が供給される。このような逆バイアスの電位を供給した状態で光電変換することで、入射光によって生じた電荷がアバランシェ増倍を起こしアバランシェ電流が発生する。
逆バイアスの電位が供給される場合において、アノードおよびカソードの電位差が降伏電圧より大きいときには、アバランシェダイオードはガイガーモード動作となる。ガイガーモード動作を用いて単一光子レベルの微弱信号を高速検出するアバランシェダイオードがＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）である。
クエンチ素子２０２は、高い電位ＶＨを供給する電源とアバランシェダイオード２０１に接続される。クエンチ素子２０２は、Ｐ型ＭＯＳトランジスタまたはＰｏｌｙ抵抗などの抵抗素子により構成される。また、クエンチ素子２０２は、直列の複数のＭＯＳトランジスタにより構成されていてもよい。アバランシェダイオード２０１においてアバランシェ増倍により光電流が増倍されると、増倍した電荷によって得られる電流が、アバランシェダイオード２０１とクエンチ素子２０２との接続ノードに流れる。この電流による電圧降下により、アバランシェダイオード２０１のカソードの電位が下がり、アバランシェダイオード２０１は、電子なだれを形成しなくなる。これにより、アバランシェダイオード２０１のアバランシェ増倍が停止する。その後、電源の電位ＶＨがクエンチ素子２０２を介してアバランシェダイオード２０１のカソードに供給されるため、アバランシェダイオード２０１のカソードに供給される電位が電位ＶＨに戻る。つまり、アバランシェダイオード２０１の動作領域は再びガイガーモード動作となる。このように、クエンチ素子２０２は、アバランシェ増倍による電荷の増倍時に負荷回路（クエンチ回路）として機能し、アバランシェ増倍を抑制する働きを持つ（クエンチ動作）。また、クエンチ素子は、アバランシェ増倍を抑制した後に、アバランシェダイオードの動作領域を再びガイガーモードにする働きを持つ。
波形整形部２０３は、アバランシェダイオード２０１のノードとクエンチ素子２０２のノードとの接続ノードに接続されている。光子検出時に得られるアバランシェダイオード２０１のカソードの電位変化を整形して、矩形のパルス信号を出力する。波形整形部２０３としては、例えばインバータ回路が用いられる。波形整形部２０３として、インバータを一つ用いる例を示したが、複数のインバータを直列接続した回路を用いてもよい。インバータに限らず、波形整形効果があるその他の回路を用いてもよい。
画素信号処理部１０２は、処理回路２０４を有する。
処理回路２０４は、波形整形部２０３と接続されている。波形整形部２０３から出力されたパルス信号は、処理回路２０４によって信号処理される。処理回路２０４が例えばＮ－ｂｉｔカウンタ（Ｎ：正の整数）の場合、単一光子によるパルス信号を最大で約２のＮ乗個までカウントすることが可能である。カウントした信号は、検出した信号として保持される。また、制御線を介してリセットの制御パルスが供給されたとき、処理回路２０４に保持された信号がリセットされる。
処理回路２０４の出力は、信号線１０４に接続されている。ここで、処理回路２０４の中に選択回路を設けて、画素信号を所望のタイミングで読み出せるようにしてもよいし、信号線１０４に直接接続して信号を常時出力してもよい。処理回路２０４には、図１の垂直走査回路部１０３から、制御線を介して制御パルスＣｔｒｌが供給され、処理回路２０４の出力を信号処理するためのクロックを与えたり、処理回路２０４の出力を信号線１０４に出力するか否かを切り替えたりする。
なお、クエンチ素子２０２とアバランシェダイオード２０１との間にトランジスタ等のスイッチを配して、アバランシェダイオード２０１がアバランシェ増倍できるモードとアバランシェ増倍できないモードとを切り替えてもよい。同様に、アバランシェダイオード２０１に供給される高い電位ＶＨまたは低い電位ＶＬの電位の供給をトランジスタ等のスイッチを用いて電気的に切り替えてもよい。また、光電変換部１０１と画素信号処理部１０２との間にトランジスタ等のスイッチを配して、光電変換部１０１から処理回路２０４への信号の入力を制御してもよい。
複数の画素１１０が行列状に配された画素アレイ部１１１において、処理回路２０４の出力を行毎に順次リセットし、処理回路２０４の出力信号を行毎に順次出力するローリングシャッタ動作によって信号を取得してもよい。
または、全画素行の処理回路２０４のカウントを同時にリセットし、処理回路２０４に保持された信号を行毎に順次出力するグローバル電子シャッタ動作によって信号を取得してもよい。尚、グローバル電子シャッタ動作を行う場合には、処理回路２０４のカウントを行う場合と、行わない場合を切り替える手段を設けたほうがよい。切り替える手段とは、例えば前述したスイッチである。
図２の処理回路２０４は、パルス検出タイミングを取得する構成としてもよい。この場合は、処理回路２０４には、カウンタ回路の代わりに、時間・デジタル変換回路（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：以下、ＴＤＣ）、メモリを用いる。
このとき、波形整形部２０３から出力されたパルス信号の発生タイミングは、ＴＤＣによってデジタル信号に変換される。ＴＤＣには、パルス信号のタイミングの測定に、図１の垂直走査回路部１０３から駆動線を介して、制御パルスＲｅｆ（参照信号）が供給される。ＴＤＣは、制御パルスｐＲＥＦを基準として、波形整形部２０３を介して各画素から出力された信号の入力タイミングを相対的な時間としたときの信号をデジタル信号として取得する。
以下では、各実施形態の光検出装置について説明する。
＜実施形態１＞
図３は、実施形態１におけるＳＰＡＤ画素の平面模式図であり、図４は、実施形態１のＳＰＡＤ画素のＸ－Ｘ’における断面模式図である。本実施形態のアバランシェダイオードは、半導体基板１５（第１基板）に配される。
図３は、実施形態１におけるＳＰＡＤ画素の平面模式図であり、図４は、実施形態１のＳＰＡＤ画素のＸ－Ｘ’における断面模式図である。本実施形態のアバランシェダイオードは、半導体基板１５（第１基板）に配される。
半導体基板１５は第１面１５ａと、第１面１５ａに対向する第２面１５ｂを有する。例えば、第１面１５ａは半導体基板１５の配線層が形成される側の面である。本実施形態では、第２面１５ｂから光が入射する。図３は、半導体基板１５の第１面１５ａを平面視した図であり、各半導体領域に接続されるコンタクトプラグを合わせて示している。本明細書において、「平面視」とは、基板の第１面１５ａと平行な面に対して垂直方向から視ることを指す。また、断面とは、平面と垂直な方向における面を指す。また、本明細書において「深さ」とは、第１面１５ａから第２面１５ｂに向かう方向をいう。
半導体基板１５の厚みは、光検出を行う波長によって適宜設定することができる。光検出装置が検出する光の色は、青色、緑色、緑色、赤外光など目的に応じて設定することができる。光検出装置が検出する光のピーク波長は、例えば、３５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内で設定することができる。
図３では４つのＳＰＡＤ画素の一部である、４つの光電変換素子と光電変換素子間のトレンチ分離部１６が示されている。本明細書において、後述するトレンチ分離部１６により区画された領域がＳＰＡＤ画素の光電変換素子に相当する。１つの光電変換素子は、少なくとも１つのアバランシェ増倍領域を含むアバランシェダイオードにより構成される。別の観点において、光電変換素子は、画素アレイ部で繰り返し配される構成のうちの１つを指す。
図３には、本実施形態のアバランシェダイオードに含まれる、第１導電型の半導体領域７１（第１半導体領域）と、第２導電型の半導体領域７２と、半導体領域７１と半導体領域７２との間に配された半導体領域７５（第３半導体領域）とが示されている。また、各半導体領域に接続されるコンタクトプラグが示されている。第１面１５ａからは見えないが、説明をわかりやすくするために、図３では第２導電型の半導体領域７４（第４半導体領域）が配される領域を示している。
半導体領域７１はアバランシェダイオードのカソードを構成する。半導体領域７１には、複数のコンタクトプラグ２１が接続されている。コンタクトプラグ２１は配線層を介してアバランシェダイオードのカソードに電位を供給する。複数のコンタクトプラグ２１は、平面視で、後述するトレンチ分離部で囲まれた領域の中央と、その周囲に設けられている。周囲に設けられたコンタクトプラグ２１は、対角に配されたコンタクトプラグ２３を結ぶ線とは重ならない位置に設けられている。複数のコンタクトプラグ２１を半導体領域７１に接続することにより、半導体領域７１のアバランシェ増倍される位置に寄与する信号の読み出し速度の低下を抑えることができる。また、コンタクトプラグ２３から離れた位置にコンタクトプラグ２１が配さえることにより、高電圧が印加されるアノードとカソードに接続される配線同士の距離を大きくレイアウトすることが容易となり、素子の信頼性が向上する。
半導体領域７２はアバランシェダイオードのアノードを構成する。半導体領域７２には、コンタクトプラグ２３が接続されている。半導体領域７２は、光電変換素子の角に配されている。
光電変換素子間には、トレンチ分離部１６が形成されている。トレンチ分離部１６は平面視で光電変換素子を取り囲むように配されている。図３では、光電変換素子の形状は四角形であるが、これに限定されない。本実施形態に係るトレンチ分離部１６は、導電体１６ａと絶縁体１６ｂとを含む。
導電体１６ａは、例えば、光を反射または吸収する金属により構成される。光を反射する金属としては、タングステン、アルミニウム、銅等を用いることができる。光を反射するとは、例えば、所定の波長の光を３０％以上反射するものを指す。所定の波長とは、光検出装置が主として検出を行う光の波長である。
絶縁体１６ｂとしては、例えば、酸化ケイ素を用いることができる。絶縁体１６ｂは、導電体１６ａとアバランシェダイオードとの間に配される。つまり、絶縁体１６ｂは、導電体１６ａと半導体基板の半導体領域との間に配される。
図４に、図３のＸ－Ｘ’断面図を示す。図４において、光電変換素子は第１導電型の半導体領域７１、第２導電型の半導体領域７２、第２導電型の半導体領域７４、半導体領域７５、第２導電型の半導体領域７６（第２半導体領域）を含む。半導体領域７１と半導体領域７４とのＰＮ接合領域に強電界がかかっており、半導体領域７１と半導体領域７４とでアバランシェ増倍領域が形成される。各半導体領域は、イオン注入により不純物が添加された領域、または半導体基板の作製・エピタキシャル成長時に不純物が付加された領域である。
基板１５の第１面１５ａからの距離が第１の距離である第１の深さＤ１に、半導体領域７１および半導体領域７２が配される。前述の通り、半導体領域７１と半導体領域７２との間には半導体領域７５が配される。本明細書において第ｎの深さに、第ｍ半導体領域が配されるとは、例えば、インプラされた不純物濃度が最も高い領域（ピーク）が第ｎの深さに配されるこという。なお、必ずしも、ピークが第ｎの深さに配されている必要はなく、設計誤差や製造誤差も許容される。
半導体領域７５は、半導体領域７１よりも不純物濃度の低い第１導電型の半導体領域である。半導体領域７５が半導体領域７１と半導体領域７２との間に配されることにより、半導体領域７５の付近の電荷をコンタクトプラグ２１に近い位置に移動しやすくできる。
半導体領域７１の不純物濃度は、半導体領域７１の不純物濃度よりも低くする。例えば、半導体領域７１の不純物濃度は６．０×１０１８［ａｔｍｓ／ｃｍ３］以上の時に半導体領域７５の不純物濃度は１．０×１０１８［ａｔｍｓ／ｃｍ３］以下とする。このとき、半導体領域７２の不純物濃度は６．０×１０１８［ａｔｍｓ／ｃｍ３］以上とする。また、半導体領域７４の不純物濃度は１．０×１０１８［ａｔｍｓ／ｃｍ３］以下とする。
第１の深さＤ１よりも深い第４の深さＤ４には、半導体領域７４が形成される。半導体領域７４は、半導体領域７２よりも不純物濃度の低い第２導電型の半導体領域である。前述の通り、半導体領域７２は、半導体領域７１との間でアバランシェ増倍領域を形成する。
第１の深さＤ１よりも深い第３の深さＤ３には、半導体領域７５が配される。図４では、半導体領域７５は、半導体領域７１よりも不純物濃度の低い第１導電型の半導体領域である。
第１面１５ａからの深さが第１の深さよりも深い第２の深さＤ２には、第２導電型の半導体領域７６が配される。第２の深さＤ２は、第１面１５ａからの距離（第２の距離）が第１の距離よりも長く、第２面１５ｂまでの距離（第３の距離）が第２の距離よりも短い。また、第２の深さＤ２は、第４の深さＤ４、及び、第３の深さＤ３よりも深い。図４では、第２の深さは、第２面１５ｂの近傍に位置する。半導体領域７６と半導体領域７２とが、後述する第２導電型層８０を介して導通する。これにより、半導体領域７５にある信号電荷を、半導体領域７１と半導体領域７４とにより構成されるアバランシェ増倍領域へと移動させやすいポテンシャルを作ることができる。したがって、第２導電型層８０の近傍で生じた信号電荷もアバランシェ増倍領域へと移動させることができ、開口率の低下を抑制することができる。
画素間には、トレンチ分離部１６が配されている。本実施形態に係るトレンチ分離部１６は、半導体基板１５の第２面１５ｂから第１面１５ａまで貫通するように形成されている。トレンチ分離部１６は、前述の通り、導電体１６ａと絶縁体１６ｂとを有する。
導電体１６ａは、コンタクトプラグ２５を介して、第１配線層３１に含まれる配線パターン３１ａと接続されている。コンタクトプラグ２５には、配線パターン３１ａを介して、所定の電位Ｖｔ１が供給される。所定の電位Ｖｔ１とは、基板１５の半導体と絶縁体１６ａとが接する領域の近傍に第２導電型の電荷が蓄積された第２導電型層８０が形成される電位である。図４では、半導体領域７５が第１導電型の半導体領域であるため、第２導電型層１７は反転層である。第１導電型がＮ型の場合、コンタクトプラグ２５に供給される電位Ｖｔ１は０Ｖよりも低い電位であり、第１導電型がＰ型の場合、電位Ｖｔ１は０Ｖよりも高い電位である。
半導体領域７１には、コンタクトプラグ２１が接続されている。コンタクトプラグ２１には、配線パターン３１ｂを介して所定の電位Ｖｔ２が供給される。また、半導体領域７２には、コンタクトプラグ２３が接続されている。コンタクトプラグ２３には、配線パターン３１ｃを介して所定の電位Ｖｔ３が供給される。電位Ｖｔ２と電位Ｖｔ３には、半導体領域７１と半導体領域７２、７４とに逆バイアス電圧が供給されるような電位が供給される。
コンタクトプラグ２１が接続される配線パターン３１ｂは、半導体領域７１の幅よりも広い幅であることが好ましい。別の観点で、配線パターン３１ｂは、平面視で、半導体領域７１を覆うように配されていることが好ましく、半導体領域７１のすべての領域を覆うことがより好ましい。これにより、半導体基板１５を透過して配線層３０に向かう光を効率よく半導体基板１５へと戻すことができる。
第１導電型がＮ型の場合、電位Ｖｔ１と電位Ｖｔ２と電位Ｖｔ３との関係は、電位Ｖｔ１≦電位Ｖｔ３＜電位Ｖｔ２である。第１導電型がＰ型の場合、不等号が反転した電位関係となる。各電位は、共通の基準電位（例えば０Ｖ）に対して設定される。電位Ｖｔ１は、トレンチ分離部１６の側壁に第２導電型層８０が形成され、且つ、第２導電型層８０と半導体領域７５との間でアバランシェ増倍が生じない電位とする。電位Ｖｔ１は、例えば、－５０Ｖ以上－５Ｖ以下の範囲内で設定することができる。
コンタクトプラグ２５に所定の電位Ｖｔ１を常に供給している必要はなく、光電変換素子が受光する期間の少なくとも一部に所定の電位Ｖｔ１が供給されていればよい。光電変換素子が受光する期間のすべての期間に、所定の電位Ｖｔ１が供給されることが好ましい。
本実施形態では、コンタクトプラグ２５に所定の電位Ｖｔ１が供給されていない期間において、トレンチ分離部１６の側壁には第２導電型層８０は形成されない。つまり、コンタクトプラグ２５に所定の電位Ｖｔ１が供給されていない期間において、トレンチ分離部１６と第１導電型の半導体領域７５とが接している。そして、コンタクトプラグ２５に所定の電位Ｖｔ１が供給されると、絶縁体１６ａと半導体領域７５との間に、第２導電型層８０が形成される。第２導電型層８０は、第１導電型の半導体領域に接する領域（第２導電型の半導体領域に接しない領域）において、トレンチ分離部１６の側壁に形成される。
第２導電型層８０が形成されることにより、半導体領域７２と半導体領域７６とが第２導電型層８０により接続される。したがって、半導体領域７６には、第２導電型層８０を介してコンタクトプラグ２３から供給される電位が供給される。
図５（Ａ）および図５（Ｂ）に、第２導電型層形成時と非形成時の第１導電型の電荷に対するポテンシャル図を示す。第２導電型層形成時とは、コンタクトプラグ２５に電位Ｖｔ１が供給されているときである。また、第２導電型層非形成時とは、コンタクトプラグ２５に電位Ｖｔ１が供給されていないときである。図５（Ａ）は、図４のＹ－Ｙ’のポテンシャル図であり、図５（Ｂ）は、図４のＺ－Ｚ’のポテンシャル図である。第２導電型層８０形成時のポテンシャルを実線で示し、第２導電型層８０非形成時のポテンシャルを一点鎖線で示す。前述の通り、第２導電型層８０が形成されることにより、半導体領域７６にコンタクトプラグ２３から供給される電位Ｖｔ２が供給される。したがって、図５（Ａ）に示すように、第２導電型層８０のポテンシャルを高くし、半導体領域７５のポテンシャルを低くすることができる。また、図５（Ｂ）に示すように、第２面１５ｂから第１面１５ａに向かってポテンシャルを低くすることができる。つまり、アバランシェ増倍領域に向かってポテンシャルを低くすることができる。したがって、アバランシェ増倍領域に信号電荷を移動させやすくなり、光検出の時間分解能を向上することができる。
ここで、第２導電型層８０を介してコンタクトプラグ２３の電位を半導体領域７６に供給することの効果を、図６に示す比較形態と比較しながら説明する。図６（Ａ）に示すように、比較形態では、トレンチ分離部１６の側壁に第２導電型の半導体領域５４が形成されている。半導体領域５４は、フォトマスクなどを用いて不純物を半導体基板の第１面１５ａ又は第２面１５ｂから注入することにより形成される。
図６（Ａ）のＹ－Ｙ’の第１導電型の電荷に対するポテンシャルを図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）に示すように、第２導電型の半導体領域５４が配されている領域は、信号電荷に対するポテンシャルが本実施形態に比べて平坦である。図６（Ａ）に示すように、アバランシェ増倍され信号として読み出される電荷は、ドリフト成分と拡散成分とに分かれる。ドリフト成分は、半導体領域５４や半導体領域６で留まることなくアバランシェ増倍領域へと向かう信号電荷である。拡散成分は、半導体領域５４や半導体領域６で一定の時間留まった後に、ドリフト成分よりも遅くアバランシェ増倍領域へと向かう信号電荷である。図６（Ｃ）に示すように、一般的に、ドリフト成分の確率が高いが、拡散成分があると信号電荷はアバランシェ増倍領域に遅れて到達し、拡散テールを形成する。これにより、時間分解能（タイミングジッタ）が悪化する。
そこで本実施形態では、トレンチ分離部１６の側壁に第２導電型層８０を形成し、第２導電型層８０を介して半導体領域７６に電位を供給している。これにより、Ｙ－Ｙ’においてポテンシャルの平坦部をなくすことができる。トレンチ分離部１６の側壁において第２導電型の不純物濃度が最も低い部分の濃度は５×１０１７ｃｍ－３以下である。
また、比較形態では、半導体領域５４をインプラにより形成している。一般的に、同一の不純物濃度で不純物注入をすると、浅部への不純物注入よりも深部への不純物注入の方が、不純物の広がりが大きくなる。つまり、浅部よりも深部が第２導電型の半導体領域の幅が広くなりやすい。したがって、深部ほど半導体領域５４の幅が広くなりやすく、ポテンシャルが平坦な領域ができやすい。
一方で、本実施形態によれば、電位Ｖｔ１を供給して第２導電型層８０を形成しているため、半導体領域５４を形成する場合に比べて、第２導電型の電荷が多数キャリアとなる領域を狭くすることができる。したがって、拡散成分を減らすことが可能となる。
光電変換を行う光のピーク波長に依存することなく、上記のように半導体領域５４の幅が広い領域は形成されるが、赤外光の場合に顕著となる。赤外光を光電変換する光検出装置は、半導体基板１５を厚くする必要がある。例えば、半導体基板１５の厚みを、３．５μｍ以上１５μｍ以下に設定することがある。したがって、半導体基板の不純物を注入する面から深部までの距離が可視光の場合に比べて長くなりやすく、半導体領域５４の幅が広くなりやすい。したがって、赤外光を光電変換する光検出装置においては、本実施形態の時間分解能の改善が顕著となる。なお、光電変換する光が可視光である場合にも、半導体領域５４の幅が広い領域が形成されるため、時間分解能の改善の効果を得ることはできる。
光電変換素子の開口率は、例えば５０％以上１００％以下であることが好ましい。これにより、光電変換された電荷を効率よく読み出すことができる。開口率は、一般的には、光電変換素子とアバランシェ増倍領域との面積比で決まる。アバランシェ増倍領域とはＰＮ接合の強電界領域である。なお、実施形態２のように横方向において電荷を収集することができる構造の場合は、開口率は、光電変換素子と光電変換領域との面積比で決まる。
第２導電型層８０の幅は、第１面１５ａから第２面１５ｂまで同じ幅であることが好ましい。第２導電型層８０の幅は、例えば、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とする。なお、供給される電位Ｖｔ１によって第２導電型層８０の幅は変わるため、これに限定されない。
光電変換素子から読み出された信号は、半導体基板４０に配された波形整形部２０３へと読み出される。
半導体基板１５と半導体基板４０は、配線層３０の配線パターン３３ａと配線パターン３４ａとを介して電気的および機械的に接合されている。配線パターン３３ａと配線パターン３４ａとは、例えば、Ｃｕにより構成される。
なお、導電体１６ａは、第１面１５ａと同じ深さから、第２面１５ｂと同じ深さまで形成されていることが好ましいが、これに限られない。第１面１５ａから半導体基板１５の途中の深さまで形成されており、途中の深さから第２面１５ｂの深さまでは導電体１６ａが形成されてなくてもよい。例えば、半導体領域７６と同じ深さには、導電体１６ａが形成されていなくてもよい。
また、上述の説明では、半導体領域７５が、第１導電型の半導体領域である場合を説明したが、半導体領域７５は、第２導電型の半導体領域であってもよい。半導体領域７５が第２導電型の半導体領域である場合は、第２導電型層８０は、蓄積層である。コンタクトプラグ２１に供給される電位Ｖｔ２は、０Ｖよりも低い電位である。第１導電型がＮ型の場合、各電位の関係は、電位Ｖｔ１≦電位Ｖｔ３＜電位Ｖｔ２である。第２導電型層８０が蓄積層である場合、電位Ｖｔ２は好ましくは－５０Ｖ以上－５Ｖ以下である。
また、本実施形態では、アバランシェ増倍領域が半導体領域７１および半導体領域７４により形成されていたがこれに限定されない。例えば、半導体領域７４が配されておらず、半導体領域７６と、半導体領域７５および半導体領域７１とによりアバランシェ増倍領域が形成されている場合でも本発明の効果を得ることができる。
上述の説明の通り、実施形態１の光検出装置によれば、比較形態の光検出装置に比べて信号読み出しの時間分解能の低下を抑制することができる。
＜実施形態２＞
図７は、実施形態２におけるＳＰＡＤ画素の平面模式図であり、図８は、図７のＳＰＡＤ画素のＸ－Ｘ’における断面模式図である。本実施形態のアバランシェダイオードは、半導体領域７４がトレンチの側壁に接するように形成されている点が実施形態１とは異なる。また、半導体領域７１の面積が実施形態１よりも小さくなり、半導体領域７１と半導体領域７２との間に、半導体領域７１よりも不純物濃度の低い第１導電型の半導体領域７３が配されている点が実施形態１とは異なる。以下では、実施形態１と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する場合がある。
図７は、実施形態２におけるＳＰＡＤ画素の平面模式図であり、図８は、図７のＳＰＡＤ画素のＸ－Ｘ’における断面模式図である。本実施形態のアバランシェダイオードは、半導体領域７４がトレンチの側壁に接するように形成されている点が実施形態１とは異なる。また、半導体領域７１の面積が実施形態１よりも小さくなり、半導体領域７１と半導体領域７２との間に、半導体領域７１よりも不純物濃度の低い第１導電型の半導体領域７３が配されている点が実施形態１とは異なる。以下では、実施形態１と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する場合がある。
図７に示すように、半導体領域７１は、実施形態１の半導体領域７１に比べて面積が小さい。例えば、画素ピッチに対して半導体領域７１の幅は、１／３０以上１／３以下とすることができ、好ましくは、１／２０以上１／４以下の面積とすることができる。また、例えば、半導体領域７１の幅は、０．２μｍ以上２μｍ以下とすることができる。アバランランシェ増倍領域は、半導体領域７１と半導体領域７４とが平面視で重なる領域およびその近傍である。このように、半導体領域７１の面積を小さくすることにより、半導体領域７１と半導体領域７４とにより形成される空乏層領域を小さくすることができる。したがって、アバランシェ増倍領域を小さくでき、ダークカウントレートを低減することができる。
図８では、半導体領域７４が、トレンチ分離部１６に接して配されている。つまり、半導体領域７４は、平面視で、トレンチ分離部１６で区画された領域の全面にわたって形成されている。このとき、半導体領域７１の影響で、半導体領域７４においてポテンシャルの高さが変わっている。具体的には、半導体領域７４において、半導体領域７１と平面視で重なる領域のポテンシャル高さが半導体領域７１と平面視で重ならない領域のポテンシャル高さよりも低くなっている。これにより、信号電荷をアバランシェ増倍領域に効率よく集めることができ、実施形態１に比べて開口率を高くすることができる。例えば、本実施形態の光電変換素子は、開口率を７０％以上１００％以下とすることができる。
本実施形態では、半導体領域７２と半導体領域７４とが接している。そして、コンタクトプラグ２３を介して電位Ｖｔ３が半導体領域７４にも供給されている。第２導電型層８０は、半導体領域７４と半導体領域７６とを接続している。
半導体領域７１を平面視で取り囲むように半導体領域７３が配されている。半導体領域７３は、半導体領域７１と半導体領域７２との間で生じ得る電界を緩和する領域である。
なお、半導体領域７４はトレンチ分離部で区画された領域の全面にわたって形成されている必要はない。詳細は後述するが、半導体領域７１に重なる領域に半導体領域７４を形成しない構成としてもよい。この場合でも、アバランシェ増倍領域に効率よく信号電荷を収集することができる。
本実施形態の光検出装置によれば、実施形態１と同様に、比較形態の光検出装置に比べて信号読み出しの時間分解能の低下を抑制することができる。また、本実施形態によれば実施形態１に比較してノイズを低減することができる。本実施形態においては、半導体領域７１の面積が小さいため、ノイズを低減することができる。また、本実施形態では、アバランシェ増倍領域に信号電荷を効率よく集めることができ、感度を向上させることができる。
＜実施形態３＞
図９は、実施形態３におけるＳＰＡＤ画素の平面模式図であり、図１０は、図９のＳＰＡＤ画素のＸ－Ｘ’における断面模式図である。本実施形態のＳＰＡＤ画素は、トレンチ分離部が半導体基板１５を貫通しておらず、半導体領域７２およびコンタクトプラグ２３が配される位置とその数が実施形態２とは異なる。また、半導体領域７４が、平面視で、トレンチ分離部で区画される領域の全面に形成されていない点が実施形態２とは異なる。以下では、実施形態２と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する場合がある。
図９は、実施形態３におけるＳＰＡＤ画素の平面模式図であり、図１０は、図９のＳＰＡＤ画素のＸ－Ｘ’における断面模式図である。本実施形態のＳＰＡＤ画素は、トレンチ分離部が半導体基板１５を貫通しておらず、半導体領域７２およびコンタクトプラグ２３が配される位置とその数が実施形態２とは異なる。また、半導体領域７４が、平面視で、トレンチ分離部で区画される領域の全面に形成されていない点が実施形態２とは異なる。以下では、実施形態２と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する場合がある。
図１０に示すように、本実施形態では、トレンチ分離部１６が半導体基板１５を貫通していない。つまり、半導体基板１５の途中でトレンチの形成を止めている。第２面１５ｂの側のトレンチの一端と、半導体領域７６とは接している。半導体領域７６は、トレンチ分離部１６では分離されていない。つまり、トレンチ分離部１６は、側面と上面とを有する。そして、半導体領域７６は複数の光電変換素子に連続的に形成されており、複数の光電変換素子で共有されている。
図９に示すように、複数の光電変換素子が半導体領域７２とコンタクトプラグ２３とを共有している。つまり、１つの光電変換素子に配された半導体領域７２およびコンタクトプラグ２３から、複数の光電変換素子の第２導電型層８０および半導体領域７６に電位が供給される。ある光電変換素子に設けられたコンタクトプラグ２３に電位が供給されると、半導体領域７２と半導体領域７６とは第２導電型層８０を介して導通する。半導体領域７６は複数の光電変換素子に連続的に形成されているため、半導体領域７６から各光電変換素子の第２導電型層８０にコンタクトプラグ２３からの電位が供給される。
トレンチ分離部１６および半導体領域７２が配される画素において、トレンチ分離部１６および半導体領域７２は平面視でコンタクトプラグ２３が共有される光電変換素子の近くに配されることが好ましい。これにより、コンタクトプラグ２３から、共有する光電変換素子の半導体領域７２に電位が供給される電気的な経路の寄生抵抗を低減し、アバランシェ電流に起因する瞬間的な電圧降下による性能低下を抑制することができる。
本実施形態の光検出装置によれば、前述の各実施形態と同様に、比較形態の光検出装置に比べて信号読み出しの時間分解能の低下を抑制することができる。また、トレンチ分離部１６が半導体基板１５を貫通している場合は、各光電変換素子にコンタクトプラグ２３を配する必要があり、画素アレイ部の面積を小さくしにくい。本実施形態によれば、複数の光電変換素子でコンタクトプラグ２３を共有するため、トレンチ分離部１６が半導体基板１５を貫通する場合に比べて画素アレイ部を小さくできる。
＜実施形態４＞
図１１は、実施形態４におけるＳＰＡＤ画素の平面模式図であり、図１２は、図１１のＳＰＡＤ画素のＸ－Ｘ’における断面模式図である。本実施形態のＳＰＡＤ画素は、第２面１５ｂからも電位が供給される点が実施形態２とは異なる。以下では、実施形態２と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する場合がある。
図１１は、実施形態４におけるＳＰＡＤ画素の平面模式図であり、図１２は、図１１のＳＰＡＤ画素のＸ－Ｘ’における断面模式図である。本実施形態のＳＰＡＤ画素は、第２面１５ｂからも電位が供給される点が実施形態２とは異なる。以下では、実施形態２と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する場合がある。
実施形態４は、半導体基板１５の第２面１５ｂに、導電体１６ａに電位を供給するコンタクトプラグ２７と、半導体領域７６に電位を供給するコンタクトプラグ２９と、が接続されている。コンタクトプラグ２３、２５、２７、２９には、同じ電位が供給されることが好ましい。これにより、コンタクトプラグ２１に供給する電源と、コンタクトプラグ２３、２５、２７、２９に供給する電源との２つの電源で動作させることができるためである。
本実施形態の光検出装置によれば、前述の各実施形態と同様に、比較形態の光検出装置に比べて信号読み出しの時間分解能の低下を抑制することができる。また、コンタクトプラグ２７、２９が配されることにより、第１面１５ａおよび第２面１５ｂの両方から電位を供給することができる。したがって、半導体基板１５の深さが深い場合でも、導電体１６ａおよび半導体領域７６への電位の供給を安定的に行うことができる。
＜実施形態５＞
図１３は、実施形態５におけるＳＰＡＤ画素の平面模式図であり、図１４は、図１３のＳＰＡＤ画素のＸ－Ｘ’における断面模式図である。本実施形態のＳＰＡＤ画素は、トレンチ分離部１６に負の固定電荷を有する誘電体で第２導電型層を形成する点が実施形態２とは異なる。以下では、実施形態２と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する場合がある。
図１３は、実施形態５におけるＳＰＡＤ画素の平面模式図であり、図１４は、図１３のＳＰＡＤ画素のＸ－Ｘ’における断面模式図である。本実施形態のＳＰＡＤ画素は、トレンチ分離部１６に負の固定電荷を有する誘電体で第２導電型層を形成する点が実施形態２とは異なる。以下では、実施形態２と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する場合がある。
本実施形態に係るトレンチ分離部１６は、負の固定電荷を有する誘電体１６ｃを含む。図１４では、誘電体１６ｃ（誘電体層）が絶縁体１６ｂと光電変換素子との間に配されている。つまり、光電変換素子と誘電体１６ｃとが接している。負の固定電荷を有する誘電体１６ｃとしては、金属酸化物層が好適である。負の固定電荷を有する誘電体１６ｃをトレンチ分離部１６の側壁の近傍に配置することで、トレンチ分離部１６の側壁に第２導電型の電荷が蓄積され、第２導電型層８０が形成される。
誘電体１６ｃは、例えば、酸化ハフニウム層、酸化アルミニウム層、酸化ジルコニウム層、酸化チタン層、酸化タンタル層、酸化ルテニウム層であり、とりわけ、酸化アルミニウム層または酸化ハフニウム層であることが好ましい。誘電体１６ｃの幅の好適な幅は５ｎｍ～２０ｎｍである。
図１４では、トレンチ分離部１６の側壁と誘電体１６ｃとが接するように誘電体１６ｃが配されているが、トレンチ分離部１６の構成はこれに限定されない。以下で説明するようなトレンチ分離部１６の構成であっても、本実施形態による効果を得ることが可能である。
例えば、誘電体１６ｃとトレンチ分離部１６の側壁との間に薄い絶縁体１６ｂが配されていてもよい。この場合は、絶縁体の厚みは５０ｎｍ未満の厚さとする。この薄い誘電体１６ｂは例えば酸化シリコン層であってもよい。
また、トレンチ分離部１６が、誘電体１６のみで構成されていてもよい。つまり、トレンチ分離部１６のトレンチの全体に誘電体１６ｃが埋め込まれていてもよい。この場合でも、第２導電型層８０を形成することができる。なお、画素間のクロストーク抑制の観点から、トレンチ分離部１６は、図１４に示すように、異なる屈折率の層を有することが好ましい。これにより、第２面１５ｂから入射した光やアバランシェ発光による光が隣りの画素に向かうことを低減することができる。なお、図１４では、トレンチ分離部１６に絶縁体１６ｂおよび誘電体１６ｃが埋まっているが、トレンチ分離部１６に空隙が設けられていてもよい。例えば、断面視で、空隙とトレンチ分離部１６との間に誘電体１６ｃが配されていてもよい。
本実施形態の光検出装置によれば、前述の各実施形態と同様に、比較形態の光検出装置に比べて信号読み出しの時間分解能の低下を抑制することができる。また、トレンチ分離部１６への電位の供給なく、誘電体１６ｃで第２導電型層８０を形成できる。また、トレンチ分離部１６への電位の供給が不要となるため、コンタクトプラグの数を減らすことができる。
図１５に本実施形態の変形例を示す。変形例では、第２面１５ｂに負の固定電荷を有する誘電体１７（第２誘電体層）を配している。図１５では誘電体１７が第２面１５ｂに接して配されているが、上述の説明と同様に、誘電体１７と第２面１５ｂとの間に絶縁体が配されていてもよい。
誘電体１７としては誘電体１６ｂと同じ材料を用いてもよいし、異なる材料を用いてもよい。
変形例においても、上記の説明と同様の効果を得ることができる。さらに、変形例では、半導体領域４６が形成されないため電荷が留まる領域を前述の実施形態に比べて小さくすることができる。したがって、半導体領域４６が形成される場合に比べて時間分解能の低下を低減することができる。
＜実施形態６＞
図１６および図１７は、実施形態６におけるＳＰＡＤ画素の断面模式図である。平面図は、図７と同様であるため省略する。本実施形態のＳＰＡＤ画素は、第２面１５ｂが散乱構造７９となっている点が実施形態２とは異なる。以下では、実施形態２と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する場合がある。
図１６および図１７は、実施形態６におけるＳＰＡＤ画素の断面模式図である。平面図は、図７と同様であるため省略する。本実施形態のＳＰＡＤ画素は、第２面１５ｂが散乱構造７９となっている点が実施形態２とは異なる。以下では、実施形態２と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する場合がある。
第２面１５ｂには、散乱構造７９として複数の凹部が設けられている。これにより、第２面１５ｂから入射した光を散乱させて第１面１５ａまでの光路長を長くすることができる。入射光がＩＲ光の場合は、光電変換されるまでの距離を長くし、光電変換されずに抜ける光を減らす必要があるため、ＩＲ光の場合は効果が顕著となる。
散乱構造７９に設ける凹部の数や形は適宜設計することができる。図１６に示すように断面視において、凹部の形状が三角形であり、画素内において第２面１５ｂの全体に設けられていてもよい。また、凹部の形状はピラミッド形状であってもよい。凹部は、図１７に示すように、画素内において第２面１５ｂの一部に設けられていてもよい。図１６の構成によれば、光の入射角度に対して散乱・回析角を緩やかにできる。したがって、隣接画素への光の漏れを抑えながら赤外感度を向上できる。図１７の構成によれば、光の入射・回析角を急峻にでき、より大きな赤外感度向上の効果が得られる。
図１６のように、１つの凹部の幅は、例えば、画素の幅に対して、１／３０以上１／３以下とすることが好ましい。別の観点で、１つの凹部の幅は、例えば、１０ｎｍ以上１μｍ以下とすることができる。また、１つの凹部の深さは、例えば、第１面１５ａから第２面１５ｂまでの距離に対して、１／５０以上１／３以下とすることができる。
凹部の形状は、例えば、三角形や台形などとすることができる。角形や台形の頂点が丸みを帯びていてもよい。また、第２面１５ｂにおいて、凹部が連続的に形成されている必要はない。例えば、凹部と凹部の間や、凹部とトレンチ分離部１６との間に凹部が形成されていない領域があってもよい。凹部はドライエッチング等の公知の方法で形成することができる。
散乱構造７９の凹部には絶縁体が配されている。絶縁体の材料は、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素等を用いることができる。
本実施形態の光検出装置によれば、前述の各実施形態と同様に、比較形態の光検出装置に比べて信号読み出しの時間分解能の低下を抑制することができる。特に、散乱構造７９を設ける場合は、設けない場合に比べてトレンチ近傍で光電荷が励起される確率が増加するため、本発明による時間分解能低下の抑制効果が高くなる。また、散乱構造７９で光を散乱させて半アバランシェ増倍領域までの光路を長くすることができる。したがって、赤外光を効率よく光電変換させることができる。
＜実施形態７＞
図１８は、実施形態７におけるＳＰＡＤ画素の断面模式図である。平面図は、図７と同様であるため省略する。図１９（ａ）は図１８のＹ－Ｙ’のポテンシャル図であり、図１９（ｂ）は図１８のＺ－Ｚ’のポテンシャル図である。本実施形態のＳＰＡＤ画素は、トレンチ分離部１６の側壁の一部に第２導電型の半導体領域が形成されており、導電体１６ａに電圧を印加してトレンチ分離部１６の他の一部に第２導電型層８０ができる点が実施形態２とは異なる。以下では、実施形態２と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する場合がある。
図１８は、実施形態７におけるＳＰＡＤ画素の断面模式図である。平面図は、図７と同様であるため省略する。図１９（ａ）は図１８のＹ－Ｙ’のポテンシャル図であり、図１９（ｂ）は図１８のＺ－Ｚ’のポテンシャル図である。本実施形態のＳＰＡＤ画素は、トレンチ分離部１６の側壁の一部に第２導電型の半導体領域が形成されており、導電体１６ａに電圧を印加してトレンチ分離部１６の他の一部に第２導電型層８０ができる点が実施形態２とは異なる。以下では、実施形態２と同様の構成については同一の符号を付して、説明を省略する場合がある。
本実施形態では、トレンチ分離部１６の側壁に第２導電型の半導体領域がイオン注入により形成されている。このとき、トレンチ分離部１６の所定の深さまでは第１の不純物濃度で不純物を注入し、所定の深さより深い位置では、第１の不純物濃度よりも不純物濃度の低い第２不純物濃度の不純物を注入する。半導体領域７８ａを形成する不純物濃度よりも低濃度の半導体領域７８ｂが形成される。このように、深部において不純物濃度を低くすることにより、半導体領域７８ｂの幅が広くなることは低減することができる。一方で、不純物濃度を低くすると、半導体領域７６にコンタクトプラグから供給される電位が十分に伝わらない可能性がある。
したがって、本実施形態では、不純物濃度の低い半導体領域７８ｂにおいて、トレンチ分離部１６の導電体１６ａに電位を供給してトレンチ分離部１６の側壁に第２導電型層８０を形成している。これにより、半導体領域７８ｂのみでは電位の伝達を十分に行えない場合でも、半導体領域７８ｂで補助して電位の伝達を行うことが可能となる。
図１９（ａ）および図１９（ｂ）に示すように、本実施形態においても、第２導電型層８０を形成している際にポテンシャルが平坦な領域を低減することができる。したがって、電荷を効率よく読み出すことが可能となる。
なお、図１８ではトレンチ分離部１６の側壁において、半導体領域７４から半導体領域７６まで連続して半導体領域７８が配されている。これに限らず、トレンチ分離部１６の側壁の一部に半導体領域７８が配されており、他の一部に半導体領域７８が配されていなくてもよい。例えば、基板１５ｂに近い深部においては、半導体領域７８を設けない構成としてもよい。そして、第２導電型層８０を介して半導体領域７８の電位を半導体領域７６に伝達してもよい。
本実施形態の光検出装置によれば、前述の各実施形態と同様に、比較形態の光検出装置に比べて信号読み出しの時間分解能の低下を抑制しながら、界面から発生する暗電荷を抑制することができる。
＜実施形態８＞
図２０は、本実施形態に係る光検出システム１２００の構成を示すブロック図である。本実施形態の光検出システム１２００は、光検出装置１２０４を含む。ここで、光検出装置１２０４は、上述の実施形態で述べた光検出装置のいずれかを適用することができる。光検出システム１２００は例えば、撮像システムとして用いることができる。撮像システムの具体例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラ等が挙げられる。図２０では、光検出システム１２００としてデジタルスチルカメラの例を示している。
図２０は、本実施形態に係る光検出システム１２００の構成を示すブロック図である。本実施形態の光検出システム１２００は、光検出装置１２０４を含む。ここで、光検出装置１２０４は、上述の実施形態で述べた光検出装置のいずれかを適用することができる。光検出システム１２００は例えば、撮像システムとして用いることができる。撮像システムの具体例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラ等が挙げられる。図２０では、光検出システム１２００としてデジタルスチルカメラの例を示している。
図２０に示す光検出システム１２００は、光検出装置１２０４、被写体の光学像を光検出装置１２０４に結像させるレンズ１２０２、レンズ１２０２を通過する光量を可変にするための絞り１２０３、レンズ１２０２の保護のためのバリア１２０１を有する。レンズ１２０２および絞り１２０３は、光検出装置１２０４に光を集光する光学系である。
光検出システム１２００は、光検出装置１２０４から出力される出力信号の処理を行う信号処理部１２０５を有する。信号処理部１２０５は、必要に応じて入力信号に対して各種の補正、圧縮を行って出力する信号処理の動作を行う。光検出システム１２００は、更に、画像データを一時的に記憶するためのバッファメモリ部１２０６、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）１２０９を有する。更に光検出システム１２００は、撮像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体１２１１、記録媒体１２１１に記録または読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）１２１０を有する。記録媒体１２１１は、光検出システム１２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。また、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１２１０から記録媒体１２１１との通信や外部Ｉ／Ｆ部１２０９からの通信は無線によってなされてもよい。
更に光検出システム１２００は、各種演算を行うとともにデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部１２０８、光検出装置１２０４と信号処理部１２０５に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部１２０７を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、光検出システム１２００は、少なくとも光検出装置１２０４と、光検出装置１２０４から出力された出力信号を処理する信号処理部１２０５とを有すればよい。第４の実施形態にて説明したようにタイミング発生部１２０７は光検出装置に搭載されていてもよい。全体制御・演算部１２０８およびタイミング発生部１２０７は、光検出装置１２０４の制御機能の一部または全部を実施するように構成してもよい。
光検出装置１２０４は、画像用信号を信号処理部１２０５に出力する。信号処理部１２０５は、光検出装置１２０４から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。また、信号処理部１２０５は、画像用信号を用いて、画像を生成する。また、信号処理部１２０５は、光検出装置１２０４から出力される信号に対して測距演算を行ってもよい。なお、信号処理部１２０５やタイミング発生部１２０７は、光検出装置に搭載されていてもよい。つまり、信号処理部１２０５やタイミング発生部１２０７は、画素が配された基板に設けられていてもよいし、別の基板に設けられている構成であってもよい。上述した各実施形態の光検出装置を用いて撮像システムを構成することにより、より良質の画像が取得可能な撮像システムを実現することができる。
＜実施形態９＞
図２１は、前述の実施形態に記載の光検出装置を利用した電子機器である距離画像センサの構成例を示すブロック図である。
図２１は、前述の実施形態に記載の光検出装置を利用した電子機器である距離画像センサの構成例を示すブロック図である。
図２１に示すように、距離画像センサ４０１は、光学系４０２、光検出装置４０３、画像処理回路４０４、モニタ４０５、およびメモリ４０６を備えて構成される。そして、距離画像センサ４０１は、光源装置４１１から被写体に向かって投光され、被写体の表面で反射された光（変調光やパルス光）を受光することにより、被写体までの距離に応じた距離画像を取得することができる。
光学系４０２は、１枚または複数枚のレンズを有して構成され、被写体からの像光（入射光）を光検出装置４０３に導き、光検出装置４０３の受光面（センサ部）に結像させる。
光検出装置４０３としては、上述した各実施形態の光検出装置が適用され、光検出装置４０３から出力される受光信号から求められる距離を示す距離信号が画像処理回路４０４に供給される。
画像処理回路４０４は、光検出装置４０３から供給された距離信号に基づいて距離画像を構築する画像処理を行う。そして、その画像処理により得られた距離画像（画像データ）は、モニタ４０５に供給されて表示されたり、メモリ４０６に供給されて記憶（記録）されたりする。
このように構成されている距離画像センサ４０１では、上述した光検出装置を適用することで、画素の特性向上に伴って、例えば、より正確な距離画像を取得することができる。
＜実施形態１０＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
図２２は、本開示に係る技術（本技術）が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
図２２では、術者（医師）１１３１が、内視鏡手術システム１００３を用いて、患者ベッド１１３３上の患者１１３２に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１００３は、内視鏡１１００と、術具１１１０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１３４と、から構成される。
内視鏡１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１０１と、鏡筒１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１０２と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１００を図示しているが、内視鏡１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
鏡筒１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１００には光源装置１２０３が接続されており、光源装置１２０３によって生成された光が、鏡筒１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１００は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
カメラヘッド１１０２の内部には光学系及び光検出装置が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該光検出装置に集光される。当該光検出装置によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該光検出装置としては、前述の各実施形態に記載の光検出装置を用いることができる。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ： Ｃａｍｅｒａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１１３５に送信される。
ＣＣＵ１１３５は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡１１００及び表示装置１１３６の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１１３５は、カメラヘッド１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
表示装置１１３６は、ＣＣＵ１１３５からの制御により、当該ＣＣＵ１１３５によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
光源装置１２０３は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１００に供給する。
入力装置１１３７は、内視鏡手術システム１００３に対する入力インターフェースである。ユーザは、入力装置１１３７を介して、内視鏡手術システム１００３に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。
処置具制御装置１１３８は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１２の駆動を制御する。
内視鏡１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１２０３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１０２の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
また、光源装置１２０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
また、光源装置１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用する。具体的には、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。
＜実施形態１１＞
本実施形態の光検出システムおよび移動体について、図２３及び図２４用いて説明する。図２３は、本実施形態による光検出システムおよび移動体の構成例を示す概略図である。図２４は、本実施形態による光検出システムの動作を示すフロー図である。本実施形態では、光検出システムとして、車載カメラの一例を示す。
本実施形態の光検出システムおよび移動体について、図２３及び図２４用いて説明する。図２３は、本実施形態による光検出システムおよび移動体の構成例を示す概略図である。図２４は、本実施形態による光検出システムの動作を示すフロー図である。本実施形態では、光検出システムとして、車載カメラの一例を示す。
図２３は、車両システムとこれに搭載される撮像を行う光検出システムの一例を示したものである。光検出システム１３０１は、光検出装置１３０２、画像前処理部１３１５、集積回路１３０３、光学系１３１４を含む。光学系１３１４は、光検出装置１３０２に被写体の光学像を結像する。光検出装置１３０２は、光学系１３１４により結像された被写体の光学像を電気信号に変換する。光検出装置１３０２は、上述の各実施形態のいずれかの光検出装置である。画像前処理部１３１５は、光検出装置１３０２から出力された信号に対して所定の信号処理を行う。画像前処理部１３１５の機能は、光検出装置１３０２内に組み込まれていてもよい。光検出システム１３０１には、光学系１３１４、光検出装置１３０２および画像前処理部１３１５が、少なくとも２組設けられており、各組の画像前処理部１３１５からの出力が集積回路１３０３に入力されるようになっている。
集積回路１３０３は、撮像システム用途向けの集積回路であり、メモリ１３０５を含む画像処理部１３０４、光学測距部１３０６、測距演算部１３０７、物体認知部１３０８、異常検出部１３０９を含む。画像処理部１３０４は、画像前処理部１３１５の出力信号に対して、現像処理や欠陥補正等の画像処理を行う。メモリ１３０５は、撮像画像の一次記憶、撮像画素の欠陥位置を格納する。光学測距部１３０６は、被写体の合焦や、測距を行う。測距演算部１３０７は、複数の光検出装置１３０２により取得された複数の画像データから測距情報の算出を行う。物体認知部１３０８は、車、道、標識、人等の被写体の認知を行う。異常検出部１３０９は、光検出装置１３０２の異常を検出すると、主制御部１３１３に異常を発報する。
集積回路１３０３は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
主制御部１３１３は、光検出システム１３０１、車両センサ１３１０、制御ユニット１３２０等の動作を統括・制御する。主制御部１３１３を持たず、光検出システム１３０１、車両センサ１３１０、制御ユニット１３２０が個別に通信インターフェースを有して、それぞれが通信ネットワークを介して制御信号の送受を行う（例えばＣＡＮ規格）方法も取り得る。
集積回路１３０３は、主制御部１３１３からの制御信号を受け或いは自身の制御部によって、光検出装置１３０２へ制御信号や設定値を送信する機能を有する。
光検出システム１３０１は、車両センサ１３１０に接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの自車両走行状態および自車外環境や他車・障害物の状態を検出することができる。車両センサ１３１０は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段でもある。また、光検出システム１３０１は、自動操舵、自動巡行、衝突防止機能等の種々の運転支援を行う運転支援制御部１３１１に接続されている。特に、衝突判定機能に関しては、光検出システム１３０１や車両センサ１３１０の検出結果を基に他車・障害物との衝突推定・衝突有無を判定する。これにより、衝突が推定される場合の回避制御、衝突時の安全装置起動を行う。
また、光検出システム１３０１は、衝突判定部での判定結果に基づいて、ドライバーに警報を発する警報装置１３１２にも接続されている。例えば、衝突判定部の判定結果として衝突可能性が高い場合、主制御部１３１３は、ブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして、衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置１３１２は、音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムやメーターパネルなどの表示部画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
本実施形態では、車両の周囲、例えば前方または後方を光検出システム１３０１で撮影する。図２３（ｂ）に、車両前方を光検出システム１３０１で撮像する場合の光検出システム１３０１の配置例を示す。
２つの光検出装置１３０２は、車両１３００の前方に配される。具体的には、車両１３００の進退方位または外形（例えば車幅）に対する中心線を対称軸に見立て、その対称軸に対して２つの光検出装置１３０２が線対称に配されると、車両１３００と被写対象物との間の距離情報の取得や衝突可能性の判定を行う上で好ましい。また、光検出装置１３０２は、運転者が運転席から車両１３００の外の状況を視認する際に運転者の視野を妨げない配置が好ましい。警報装置１３１２は、運転者の視野に入りやすい配置が好ましい。
次に、光検出システム１３０１における光検出装置１３０２の故障検出動作について、図２４を用いて説明する。光検出装置１３０２の故障検出動作は、図２４に示すステップＳ１４１０～Ｓ１４８０に従って実施される。
ステップＳ１４１０は、光検出装置１３０２のスタートアップ時の設定を行うステップである。すなわち、光検出システム１３０１の外部（例えば主制御部１３１３）または光検出システム１３０１の内部から、光検出装置１３０２の動作のための設定を送信し、光検出装置１３０２の撮像動作および故障検出動作を開始する。
次いで、ステップＳ１４２０において、有効画素から画素信号を取得する。また、ステップＳ１４３０において、故障検出用に設けた故障検出画素からの出力値を取得する。この故障検出画素は、有効画素と同じく光電変換部を備える。この光電変換部には、所定の電圧が書き込まれる。故障検出用画素は、この光電変換部に書き込まれた電圧に対応する信号を出力する。なお、ステップＳ１４２０とステップＳ１４３０とは逆でもよい。
次いで、ステップＳ１４４０において、故障検出画素の出力期待値と、実際の故障検出画素からの出力値との該非判定を行う。ステップＳ１４４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致している場合は、ステップＳ１４５０に移行し、撮像動作が正常に行われていると判定し、処理ステップがステップＳ１４６０へと移行する。ステップＳ１４６０では、走査行の画素信号をメモリ１３０５に送信して一次保存する。そののち、ステップＳ１４２０に戻り、故障検出動作を継続する。一方、ステップＳ１４４０における該非判定の結果、出力期待値と実際の出力値とが一致していない場合は、処理ステップはステップＳ１４７０に移行する。ステップＳ１４７０において、撮像動作に異常があると判定し、主制御部１３１３、または警報装置１３１２に警報を発報する。警報装置１３１２は、表示部に異常が検出されたことを表示させる。その後、ステップＳ１４８０において光検出装置１３０２を停止し、光検出システム１３０１の動作を終了する。
なお、本実施形態では、１行毎にフローチャートをループさせる例を例示したが、複数行毎にフローチャートをループさせてもよいし、１フレーム毎に故障検出動作を行ってもよい。ステップＳ１４７０の警報の発報は、無線ネットワークを介して、車両の外部に通知するようにしてもよい。
また、本実施形態では、他の車両と衝突しない制御を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。さらに、光検出システム１３０１は、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機或いは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
本発明の光検出装置は、更に、距離情報など各種情報を取得可能な構成であってもよい。
（その他の実施形態）
以上、各実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に制限されるものではなく、様々な変更および変形が可能である。また、各実施形態は相互に適用可能である。
以上、各実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に制限されるものではなく、様々な変更および変形が可能である。また、各実施形態は相互に適用可能である。
７１ 第１半導体領域
７６ 第２半導体領域
１６ トレンチ分離部
８０ 第２導電型層
７６ 第２半導体領域
１６ トレンチ分離部
８０ 第２導電型層
Claims (22)
- 基板に複数の光電変換素子が平面視で２次元アレイ状に配された画素アレイ部と、
前記基板に設けられ、前記複数の光電変換素子間に配されたトレンチ分離部と、を備え、
前記複数の光電変換素子のそれぞれは、アバランシェダイオードを含み、
前記アバランシェダイオードは、前記基板の第１面から第１の深さに配され、信号電荷と同じ導電型の電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記第１の深さよりも前記基板の第１面からの距離が長く、前記第１面に対向する第２面までの距離が前記第１面までの距離よりも短い第２の深さに配された第２導電型の第２半導体領域と、前記第１の深さよりも深く前記第２の深さよりも浅い第３の深さに配され、前記第１半導体領域および前記第２半導体領域の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する第３半導体領域と、を含み、
前記トレンチ分離部は、導電体と、前記導電体と前記アバランシェダイオードとの間に配された絶縁体と、を含み、
前記トレンチ分離部の側壁に、前記第３半導体領域が有する第２導電型の電荷が蓄積された第２導電型層を形成し、前記第２導電型層と前記第２半導体領域とが接するように構成されていることを特徴とする光検出装置。 - 前記導電体に所定の電位が供給されたときに前記第２導電型層が形成されることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
- 基板に複数の光電変換素子が平面視で２次元アレイ状に配された画素アレイ部と、
前記基板に設けられ、前記複数の光電変換素子間に配されたトレンチ分離部と、を備え、
前記複数の光電変換素子のそれぞれは、アバランシェダイオードを含み、
前記アバランシェダイオードは、前記基板の第１面から第１の深さに配され、信号電荷と同じ導電型の電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記第１の深さよりも前記基板の第１面からの距離が長く、前記第１面に対向する第２面までの距離が前記第１面までの距離よりも短い第２の深さに配された第２導電型の第２半導体領域と、前記第１の深さよりも深く前記第２の深さよりも浅い第３の深さに配され、前記第１半導体領域の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する第１導電型の第３半導体領域と、を含み、
前記トレンチ分離部は、導電体と、前記導電体と前記アバランシェダイオードとの間に配された絶縁体と、を含み、
前記トレンチ分離部と前記第３半導体領域とが接することを特徴とする光検出装置。 - 基板に複数の光電変換素子が平面視で２次元アレイ状に配された画素アレイ部と、
前記基板に設けられ、前記複数の光電変換素子間に配されたトレンチ分離部と、を備え、
前記複数の光電変換素子のそれぞれは、アバランシェダイオードを含み、
前記アバランシェダイオードは、前記基板の第１面から第１の深さに配され、信号電荷と同じ導電型の電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記第１の深さよりも前記基板の第１面からの距離が長く、前記第１面に対向する第２面までの距離が前記第１面までの距離よりも短い第２の深さに配された第２導電型の第２半導体領域と、を含み、
前記トレンチ分離部には酸化ハフニウム層、酸化アルミニウム層、酸化ジルコニウム層、酸化チタン層、酸化タンタル層、及び、酸化ルテニウム層の少なくともいずれか１つからなる誘電体層が配されていることを特徴とする光検出装置。 - 基板に複数の光電変換素子が平面視で２次元アレイ状に配された画素アレイ部と、
前記基板に設けられ、前記複数の光電変換素子間に配されたトレンチ分離部と、を備え、
前記複数の光電変換素子のそれぞれは、アバランシェダイオードを含み、
前記アバランシェダイオードは、前記基板の第１面から第１の深さに配され、信号電荷と同じ導電型の電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域と、前記第１の深さよりも前記基板の第１面からの距離が長く、前記第１面に対向する第２面までの距離が前記第１面までの距離よりも短い第２の深さに配された第２導電型の第２半導体領域と、を含み、
前記トレンチ分離部には負の固定電荷を有する誘電体が配されていることを特徴とする光検出装置。 - 前記トレンチ分離部は、前記第２半導体領域に接するように配されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光検出装置。
- 基板に複数の光電変換素子が平面視で２次元アレイ状に配された画素アレイ部と、
前記基板に設けられ、前記複数の光電変換素子間に配されたトレンチ分離部と、を備え、
前記複数の光電変換素子のそれぞれは、アバランシェダイオードを含み、
前記トレンチ分離部には酸化ハフニウム層、酸化アルミニウム層、酸化ジルコニウム層、酸化チタン層、酸化タンタル層、及び、酸化ルテニウム層の少なくともいずれか１つからなる第１誘電体層が配され、
前記基板は第１面と前記第１面に対向する第２面とを有し、
前記基板の第２面には酸化ハフニウム層、酸化アルミニウム層、酸化ジルコニウム層、酸化チタン層、酸化タンタル層、及び、酸化ルテニウム層の少なくともいずれか１つからなる第２誘電体層が配されることを特徴とする光検出装置。 - 基板に複数の光電変換素子が平面視で２次元アレイ状に配された画素アレイ部と、
前記基板に設けられ、前記複数の光電変換素子間に配されたトレンチ分離部と、を備え、
前記複数の光電変換素子のそれぞれは、アバランシェダイオードを含み、
前記トレンチ分離部には負の固定電荷を有する第１誘電体が配され、
前記基板は第１面と前記第１面に対向する第２面とを有し、
前記基板の第２面には負の固定電荷を有する第２誘電体が配されることを特徴とする光検出装置。 - 前記基板において、前記トレンチ分離部の側壁および前記第２面には、第２導電型の電荷が蓄積された第２導電型層が形成されることを特徴とする請求項７又は８に記載の光検出装置。
- 前記アバランシェダイオードは、前記基板の第１面から第１の深さに配され、信号電荷と同じ導電型の電荷を多数キャリアとする第１導電型の第１半導体領域を有することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の光検出装置。
- 前記アバランシェダイオードは、前記第１の深さよりも前記基板の第１面からの距離が長い第４の深さに配された第２導電型の第４半導体領域を有し、
前記第１半導体領域と前記第４半導体領域とによりアバランシェ増倍領域が形成されることを特徴とする請求項１乃至６、又は１０のいずれか１項に記載の光検出装置。 - 前記第４半導体領域は、前記トレンチ分離部に接するように配されることを特徴とする請求項１１に記載の光検出装置。
- 前記トレンチ分離部の側壁に第２導電型の電荷が蓄積された第２導電型層が形成され、
前記第２導電型層は、前記第４半導体領域に接することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の光検出装置。 - 断面視において、前記光電変換素子の幅に対する前記第１半導体領域の幅は、１／３０以上１／３以下であることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の光検出装置。
- 前記第２面は、散乱構造であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光検出装置。
- 前記第２面は、ピラミッド形状であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光検出装置。
- 前記ピラミッド形状のピラミッドを構成する凹部の深さは、断面視における前記光電変換素子の幅に対して、１／３０以上１／３以下であることを特徴とする請求項１６に記載の光検出装置。
- 前記光電変換素子は、赤外光を光電変換することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光検出装置。
- 前記光電変換素子の開口率は、５０％以上１００％以下であることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光検出装置。
- 前記トレンチ分離部の側壁において、第２導電型の不純物濃度が最も低い部分の濃度は５×１０１７ｃｍ－３以下であることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光検出装置。
- 請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の光検出装置と、
前記光検出装置が出力する信号を処理する信号処理部と、を有することを特徴とする光検出システム。 - 請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の光検出装置と、
前記光検出装置からの信号に基づく測距情報から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、を有する移動体であって、
前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする移動体。
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|---|---|---|---|
| JP2020126315A JP2022023393A (ja) | 2020-07-27 | 2020-07-27 | 光検出装置、光検出システム |
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| JP2020126315A JP2022023393A (ja) | 2020-07-27 | 2020-07-27 | 光検出装置、光検出システム |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117059632A (zh) * | 2022-05-05 | 2023-11-14 | 浙桂(杭州)半导体科技有限责任公司 | 一种低探测盲区雪崩二极管传感器 |
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2020
- 2020-07-27 JP JP2020126315A patent/JP2022023393A/ja active Pending
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| CN117059632A (zh) * | 2022-05-05 | 2023-11-14 | 浙桂(杭州)半导体科技有限责任公司 | 一种低探测盲区雪崩二极管传感器 |
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