JP2022147766A - 光検出器 - Google Patents
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Abstract
Description
第1実施形態に係る距離計測装置1は、例えば当該距離計測装置1と対象物TGと間の距離を計測することが可能なLiDAR(Light Detection and Ranging)の一種である。以下に、第1実施形態に係る距離計測装置1について説明する。
[1-1-1]距離計測装置1の全体構成
図1は、第1実施形態に係る距離計測装置1の全体構成の一例を示す概略図である。図1に示すように、本例では、距離計測装置1の前方に、測距の対象物TGとして車両が配置されている。そして、第1実施形態に係る距離計測装置1は、制御部10、出射部20、受光部30、及び計測部40を備えている。
図3は、第1実施形態に係る距離計測装置1の備える出射部20及び受光部30の構成の一例を示す概略図である。図3に示すように、第1実施形態における出射部20は、駆動回路21及び22、光源23、光学系24、及びミラー25を含む。
再び図3を参照して、第1実施形態に係る距離計測装置1が備える受光部30の構成について説明する。図3に示すように、受光部30は、例えば、光学系31、光検出器32、及び出力回路33を含む。
図6は、第1実施形態に係る距離計測装置1の備える計測部40の構成の一例を示す概略図である。図3に示すように、計測部40は、例えば、アンプ(例えばTIA:Trans Impedance Amplifier)、アナログデジタル変換器ADC、及び平均化回路SATを含む。
図7は、第1実施形態に係る光検出器32の構成の一例を示すブロック図であり、1つの画素PXに関連付けられた構成要素を表示している。図7に示すように、光検出器32は、カラム選択線CSL(n,m)と、ロウ選択線RSL(m)と、画素PX(n,m)とを含む。“n”及び“m”は、それぞれカラムアドレスCA及びロウアドレスRAを示している。“n”、“m”のそれぞれは、1以上の整数である。1つの画素PXは、カラムアドレスCAとロウアドレスRAとの組によって特定され得る。
以下に、第1実施形態における画素PXの回路構成について説明する。
図8は、第1実施形態に係る光検出器32が備える画素PXに含まれたAPDユニット51A及び51B並びに選択回路52の回路構成の一例を示す回路図である。図8に示すように、APDユニット51Aは、アバランシェフォトダイオードAPD0、保護抵抗Rs0、ダイオードDI0、及びクエンチ抵抗Rq0を含む。APDユニット51Bは、アバランシェフォトダイオードAPD1、保護抵抗Rs1、ダイオードDI1、及びクエンチ抵抗Rq1を含む。選択回路52は、P型トランジスタPM0及びPM1を含む。また、画素PXは、ノードN0~N3、並びに配線W0~W4を含む。
図10は、第1実施形態に係る光検出器32が備える画素PXに含まれたシフト回路53の回路構成の一例を示す回路図であり、カラム選択線CSL(n,m)に関連付けられたシフト回路53に注目して示している。図10に示すように、シフト回路53は、第1シフト回路531、インバータ532、第2シフト回路533、及びインバータ534を含む。また、シフト回路53は、入力端子FR(From Right)及びFL(From Left)と、出力端子TR(To Right)及びTL(To Left)と、ノードN4~N10とを含む。
図12は、第1実施形態に係る光検出器32が備えるアバランシェフォトダイオードAPDの構造の一例と単一光子アバランシェダイオードSPADの動作原理とを示す概略図である。図12に示すように、第1実施形態におけるアバランシェフォトダイオードAPDは、半導体基板SUB、P型半導体層EP及びPDP、並びにN型半導体層PDNを含む。
以下に、光検出器32に対するアクティブ領域の設定例について説明する。
図13は、第1実施形態に係る光検出器32におけるアクティブ領域の設定の一例を示す平面図であり、シフト機能が利用されない場合のアクティブ領域の設定を例示している。また、図13は、光検出器32内で、カラムアドレスCAに関連付けられたX座標“0”~“7”と、ロウアドレスRAに関連付けられたY座標“0”~“3”とに対応する部分を表示している。選択された画素PXは、太線で囲われている。オン画素には、ハッチングが付加されている。
図14は、第1実施形態に係る光検出器32におけるアクティブ領域の設定の一例を示す平面図であり、シフト機能が利用される場合のアクティブ領域の設定を例示している。また、図14は、光検出器32内で、カラムアドレスCAに関連付けられたX座標“0”~“7”と、ロウアドレスRAに関連付けられたY座標“0”~“3”とに対応する部分を表示している。選択された画素PXは、太線で囲われている。オン画素には、ハッチングが付加されている。
以下に、第1実施形態に係る距離計測装置1が備える光検出器32の構造の一例について説明する。尚、以下で参照される図面において、Z方向は、光検出器32の形成に使用される半導体基板の上面に対する鉛直方向に対応している。平面図には、図を見易くするためにハッチングが適宜付加されている。平面図に付加されたハッチングは、ハッチングが付加された構成要素の素材や特性とは必ずしも関連していない。断面図では、図を見易くするために、構成の図示が適宜省略されている。上側、下側、左側、及び右側は、それぞれ図面が記載された紙面の上側、下側、左側、及び右側に対応している。
図15は、第1実施形態に係る光検出器32の平面レイアウトの一例を示す平面図であり、画素PXの詳細な形状とアバランシェフォトダイオードAPDの配置とを表示している。図15に示すように、光検出器32は、X方向に沿って分割された複数の領域C1及びC2を含み、Y方向に沿って分割された複数の領域R1、R2、R3及びR4を含む。
次に、画素PXの詳細な平面レイアウトの一例について説明する。尚、画素PX0~PX3は、互いに類似した平面レイアウトを有する。このため、以下では画素PX0に注目して、画素PXについて説明する。図16及び図17のそれぞれは、第1実施形態に係る光検出器32が備える画素PXの平面レイアウトの一例を示す平面図である。
次に、第1実施形態に係る光検出器32が備える画素PXの断面構造の一例について説明する。図18~図21のそれぞれは、第1実施形態に係る光検出器32が備える画素PXの断面構造の一例を示す断面図である。以下では、アバランシェフォトダイオードAPDを含む断面と、ダイオードDIを含む断面と、N型トランジスタNMを含む断面と、P型トランジスタPMを含む断面とについて順に説明する。
図18は、図17のXVIII-XVIII線に沿った断面図であり、アバランシェフォトダイオードAPDと保護抵抗Rsとの接続部分を含む断面を表示している。図18に示された一点鎖線は、XVIII-XVIII線に沿った断面の曲がった部分を示している。図18に示すように、アバランシェフォトダイオードAPDと保護抵抗Rsとの接続部分を含む断面において、光検出器32は、例えば、半導体基板SUB、P型半導体層EP、ウェル領域DNW、P型半導体層PDP、N型半導体層PDN、トレンチ部DT、絶縁体層60、導電体層70、コンタクトプラグ80及び81、並びに導電体層90を含む。
図19は、図17のXIX-XIX線に沿った断面図であり、ダイオードDIと導電体層70との接続部分を含む断面を表示している。図19に示された一点鎖線は、XIX-XIX線に沿った断面の曲がった部分を示している。図19に示すように、ダイオードDIと導電体層70との接続部分を含む断面において、光検出器32は、例えば、半導体基板SUB、P型半導体層EP、ウェル領域DNW及びPW、N型半導体領域PN、P型半導体領域PP、絶縁体層60、導電体層70、コンタクトプラグ82、83及び84、並びに導電体層91及び92を含む。
図20は、図17のXX-XX線に沿った断面図であり、直列に接続された2つのN型トランジスタNMを含む断面を表示している。図20に示すように、直列に接続された2つのN型トランジスタNMを含む断面において、光検出器32は、例えば、半導体基板SUB、P型半導体層EP、ウェル領域DNW及びNW、P型半導体領域NP1、NP2及びNP3、絶縁体層60、導電体層71及び72、コンタクトプラグ85及び86、並びに導電体層93及び94を含む。
図21は、図17のXXI-XXI線に沿った断面図であり、1つのP型トランジスタPMを含む断面を表示している。図21に示すように、1つのP型トランジスタPMを含む断面において、光検出器32は、例えば、半導体基板SUB、P型半導体層EP、ウェル領域DNW及びPW、N型半導体領域PN1及びPN2、絶縁体層60、導電体層73、コンタクトプラグ87及び88、並びに導電体層95及び96を含む。
以上で説明された第1実施形態に係る距離計測装置1に依れば、光検出器32の特性を改善させることが出来る。以下に、第1実施形態の効果の詳細について説明する。
第2実施形態に係る距離計測装置1は、第1実施形態と異なる回路構成のAPDユニット51を用いて、第1実施形態と同様の効果を実現する。以下に、第2実施形態に係る距離計測装置1について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図25は、第2実施形態に係る光検出器32が備える画素PXに含まれたAPDユニット51A及び51B並びに選択回路52の回路構成の一例を示す回路図である。図25に示すように、第2実施形態に係る光検出器32が備える画素PXは、第1実施形態で説明された画素PXに対して、ダイオードDI0及びDI1がそれぞれツェナーダイオードTD0及びTD1に置き換えられた回路構成を有する。
[2-2-1]画素PXの平面レイアウト
図26は、第2実施形態に係る光検出器32が備える画素PXの詳細な平面レイアウトの一例を示す平面図である。図26は、図16と重なる領域を示しており、画素PX0を含む領域の平面レイアウトを表示している。図26に示すように、画素PX0が形成される領域において、第2実施形態に係る光検出器32は、第1実施形態で説明された光検出器32で、ウェル領域PW0及びPW1が省略され、ツェナーダイオードTD0及びTD1に関する構成が追加された構成を有する。
図27は、第2実施形態に係る光検出器32が備える画素PXの断面構造の一例を示す、図26のXXVII-XXVII線に沿った断面図である。図27は、ツェナーダイオードTDと保護抵抗Rsとの接続部分を含む断面を表示している。図27に示された一点鎖線は、XXVII-XXVII線に沿った断面の曲がった部分を示している。図27に示すように、ツェナーダイオードTDと保護抵抗Rsとの接続部分を含む断面において、光検出器32は、例えば、半導体基板SUB、P型半導体層EP、ウェル領域DNW、N型半導体領域ZN1及びZN2、P型半導体領域ZP、絶縁体層60、導電体層70、コンタクトプラグ82、83、84及び89、並びに導電体層91及び92を含む。
以上で説明されたように、第2実施形態に係る光検出器32は、保護抵抗Rsとクエンチ抵抗Rqとの間に接続されたダイオードとして、ツェナーダイオードTDを使用する。ツェナーダイオードTDは、深いウェル領域DNWを利用して形成される。ツェナーダイオードのN側の電極は、例えばP型トランジスタPMの電源と電気的に接続される。
図28は、第1実施形態の第1変形例に係る光検出器32Bが備える受光部30の平面レイアウトの一例を示す平面図である。図28に示すように、光検出器32Bは、マトリクス状に配置された受光領域DAを備えている。隣り合う受光領域DAの間には、回路領域CRが配置されている。各受光領域DAに、1つのマイクロレンズMLが重なって配置されている。光検出器32Bでは、1つのマイクロレンズMLに、4つのアバランシェフォトダイオードAPDを含む画素PXが重なって配置されている。光検出器32Bでは、1つの画素PXに含まれた複数のアバランシェフォトダイオードAPDのそれぞれが、個別のトレンチ部DTによって囲まれている。同じマイクロレンズMLに重なるトレンチ部DT同士の間隔は、デザインルールで許される最小の間隔となっている。そして、光検出器32Bでは、例えば、トレンチ部DTによって囲まれていない部分に、ウェル領域DNWが設けられる。各画素PXの選択回路52やシフト回路53は、隣り合う回路領域CRの部分に配置される。回路領域CRは、水平に細長い領域(CRAと呼ぶ)、垂直に細長い領域(CRBと呼ぶ)、及びそれらが交わる領域を有する。例えば、CRAの中にP型不純物を含むウェル領域が配置され、CRBの中にN型不純物を含むウェル領域が配置されても良い。また、各CRAの高さが等しく設計されても良いし、各CRBの幅が等しく設計されても良い。更に、各受光領域の選択及びシフト回路が、各受光領域と相対的に同じ位置に配置され、並進対称性を呈させても良い。
Claims (20)
- 基板と、
前記基板の上方に設けられ、トレンチ部によって囲まれた複数のアバランシェフォトダイオードと、
隣り合う前記トレンチ部の間に設けられ、トランジスタ及びダイオードの少なくとも一方を含むウェル領域と、
前記複数のアバランシェフォトダイオードを覆うように設けられたマイクロレンズアレイと、
を備える、光検出器。 - 前記ウェル領域は、前記トレンチ部を囲っている、
請求項1に記載の光検出器。 - 前記マイクロレンズアレイは、複数のマイクロレンズを有し、
前記複数のマイクロレンズは、前記複数のアバランシェフォトダイオードを覆うように設けられる、
請求項1に記載の光検出器。 - 前記マイクロレンズアレイは、マイクロレンズを有し、
前記マイクロレンズは、隣り合う前記アバランシェフォトダイオードを覆わない、
請求項1に記載の光検出器。 - 2次元に配置された第1アバランシェフォトダイオードと、
一端が前記第1アバランシェフォトダイオードのカソードに接続された第1抵抗部と、
前記第1抵抗部の他端に接続された第1ダイオードと、
一端が前記第1抵抗部の前記他端に接続された第2抵抗部と、
前記第2抵抗部の他端に接続された第1トランジスタと、
を備える、光検出器。 - 各々が、前記第1アバランシェフォトダイオードと、前記第1抵抗部と、前記第1ダイオードと、前記第2抵抗部と、前記第1トランジスタと、を含む複数のセンサ回路をさらに備え、
前記複数のセンサ回路の各々は、前記第1トランジスタに接続された第2トランジスタをさらに備え、
前記第1トランジスタの一端は、前記第2抵抗部の前記他端に接続され、
前記第1トランジスタの他端は、前記第2トランジスタの一端に接続され、
前記第1トランジスタのゲートには、第1選択信号が入力され、
前記第2トランジスタのゲートには、第2選択信号が入力され、
第1方向に並んだ複数のセンサ回路にロウアドレスが割り当てられ、前記第1方向と異なる第2方向に並んだ複数のセンサ回路にカラムアドレスが割り当てられ、前記第1選択信号と前記第2選択信号とに基づいて、前記複数のセンサ回路の少なくとも1つが選択される、
請求項5に記載の光検出器。 - 前記複数のセンサ回路は、第1センサ回路、第2センサ回路、第3センサ回路、及び第4センサ回路を含み、
前記第1センサ回路と前記第2センサ回路は、前記第2方向に隣り合い、
前記第2センサ回路は、前記第3センサ回路と前記第4センサ回路とによって前記第1方向に挟まれ、
前記第1センサ回路は、前記第1センサ回路に入力された第1選択信号又は第2選択信号を、前記第2センサ回路、前記第3センサ回路、及び前記第4センサ回路の何れかに転送するシフト回路をさらに備える、
請求項6に記載の光検出器。 - 前記第1ダイオードは、カソードが前記第1抵抗部の前記他端に接続された整流ダイオードである、
請求項5に記載の光検出器。 - 前記第1ダイオードは、アノードが前記第1抵抗部の前記他端に接続されたツェナーダイオードである、
請求項5に記載の光検出器。 - 第2アバランシェフォトダイオードと、
一端が前記第2アバランシェフォトダイオードのカソードに接続された第3抵抗部と、
前記第2抵抗部の他端に接続された第2ダイオードと、
一端が前記第2抵抗部の前記他端に接続され、他端が前記第1トランジスタに接続された第4抵抗部と、をさらに備える、
請求項5に記載の光検出器。 - 前記第1抵抗部は、前記第1アバランシェフォトダイオードを含むセンサ回路の保護抵抗として機能し、前記第2抵抗部は、前記センサ回路のクエンチ抵抗として機能する、
請求項5に記載の光検出器。 - 選択されたセンサ回路に対する第1選択信号及び第2選択信号のそれぞれが第1論理レベルになると、前記選択されたセンサ回路に含まれた第1アバランシェフォトダイオードが、光を検出することが可能なアクティブ状態になる、
請求項6に記載の光検出器。 - 前記選択されたセンサ回路では、前記第1アバランシェフォトダイオードのアノードに、前記第1アバランシェフォトダイオードの前記カソードよりも高い電圧が印加される、
請求項12に記載の光検出器。 - 第1導電型の基板と、
前記基板の上方に設けられた、前記第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に設けられた、前記第1導電型と異なる第2導電型の第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との側面を囲んだ環状の第1絶縁体と、
前記基板の上方、且つ前記第1絶縁体の側面を囲むように設けられた、前記第2導電型の第1ウェル領域と、
前記第1ウェル領域の上面近傍に設けられた、少なくとも1つのウェル領域と、を備え、
前記少なくとも1つのウェル領域に、トランジスタとダイオードとが設けられる、
光検出器。 - 前記第1ウェル領域は、前記第1絶縁体と第1方向に隣り合う第2ウェル領域と、前記第1絶縁体と第2方向に隣り合う第3ウェル領域と、前記第1絶縁体と第3方向に隣り合う第4ウェル領域と、を含み、
前記第2ウェル領域に、N型トランジスタが設けられ、
前記第3ウェル領域に、P型トランジスタが設けられ、
前記第4ウェル領域に、ダイオードが設けられる、
請求項14に記載の光検出器。 - 各々が前記第1絶縁体と前記第1半導体層と前記第2半導体層とを含み、マトリクス状に配置された複数のセンサ部をさらに備える、
請求項14に記載の光検出器。 - 前記複数のセンサ部のそれぞれの上方にそれぞれ設けられ、等間隔に配置された複数のマイクロレンズをさらに備える、
請求項16に記載の光検出器。 - 前記第1ウェル領域の上に設けられた絶縁体層と、
前記絶縁体層の上に設けられ、前記第2半導体層の形状に沿って設けられた部分を有する半導体層と、をさらに備え、
前記半導体層の一端部分が、少なくとも1本のコンタクトプラグを介して前記第2半導体層に接続され、
前記半導体層の中間部分が、少なくとも1本のコンタクトプラグを介して前記ダイオードに接続され、
前記半導体層の他端部分が、少なくとも1本のコンタクトプラグを介して前記トランジスタに接続される、
請求項14に記載の光検出器。 - 前記ダイオードが設けられたウェル領域は、前記第1導電型であり、上面近傍に前記第2導電型の第1半導体領域と、前記ウェル領域よりも前記第1導電型の不純物濃度が高い第2半導体領域とを有し、
前記第1半導体領域が、少なくとも1本のコンタクトプラグを介して前記半導体層の前記中間部分に接続され、
前記第2半導体領域は、少なくとも1本のコンタクトプラグを介して定電圧ノードに接続される、
請求項18に記載の光検出器。 - 前記第1導電型がP型であり、前記第2導電型がN型である、
請求項19に記載の光検出器。
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