JP2022506487A - 高感度光子混合構造を含む高量子効率ガイガモード・アバランシェ・ダイオード及びそのアレイ - Google Patents

高感度光子混合構造を含む高量子効率ガイガモード・アバランシェ・ダイオード及びそのアレイ Download PDF

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Abstract

光検出器デバイスは、半導体材料層と、この半導体材料層内の少なくとも１つのフォトダイオードとを含む。少なくとも１つのフォトダイオードは、このフォトダイオードの降伏電圧を超えてバイアスされて、入射光子の検出に応答するそれぞれの電気信号を生成するように構成されている。それぞれの電気信号は、入射光子の光強度に依存しない。テクスチャ領域は、半導体材料層に結合しており、少なくとも１つのフォトダイオードによる入射光子の検出の際に、この入射光子と相互作用するように配置された光学構造を備える。２つ以上のフォトダイオードは光検出器デバイスの画素を画定可能であり、光学構造は、画素の２つ以上のフォトダイオードのうちのいずれかに入射光子を誘導するように構成可能である。【選択図】図１Ａ

Description

本明細書の主題は、包括的には、イメージセンサに関し、より具体的には、ＬＩＤＡＲ（Light Detected And Ranging：光検出測距）システムの撮像用のイメージセンサに関する。
［優先権の主張］
本出願は、米国特許商標庁において、２０１８年１０月３０日付けで出願された「High Quantum Efficiency Geiger-Mode Avalanche Diodes and Arrays Thereof」と題する米国仮特許出願第６２／７５２，７１８号、及び２０１８年１２月４日付けで出願された「High Sensitivity Photon Mixing Structures」と題する米国仮特許出願第６２／７７５，１０５号からの優先権の利益を主張するものであり、それらの米国仮特許出願の開示内容は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
タイム・オブ・フライト（Time of flight：ＴｏＦ）ベースの撮像は、測距、デプス・プロファイリング、及び３Ｄ撮像（例えば、光検出測距（ＬＩＤＡＲ）、本明細書では、ライダとも称する）を含む、多くの分野で使用される。ＴｏＦ ３Ｄ撮像システムは、直接ＴｏＦ（ｄＴｏＦ）測定（光信号を照射してから、物体や他の標的からの反射後に光信号を検知又は検出するまでの時間長を測定して距離を決定する）、又は間接ＴｏＦ（ｉＴｏＦ）測定（照射された光信号の振幅を変調し、反射された光信号の位相遅延又は位相シフトを測定し、信号が物体との間を伝達するのに必要な時間から、伝達距離に比例する位相シフトがもたらされる）を使用できる。しかし、（明るい環境光条件での長距離及び／又は低反射率の標的を含み得る）広い視野（field of view：ＦｏＶ）に照射し、そこから認識可能な帰還、すなわち反射した（本明細書ではエコー信号とも称する）光信号を受信するために、より高い光放射強度（ひいては、より高い消費電力）が必要となることがある。
ライダ等の一部の用途では、非常に暗いエコー信号と非常に明るいエコー信号とをともに検出することが望ましい場合がある。例えば、２００メートル（ｍ）の距離範囲にある１０％のランバート反射標的は、１ｍの距離にある同様の標的により反射された光の１／２００２を反射する場合があり、１ｍの距離範囲にある１００％のランバート反射標的により反射された光の１／（１０×２００２）を反射する場合があり、さらに、１ｍの距離範囲にある再帰反射が強い標的により反射された光の約１／（１０００×２００２）＝１／４０００００００を反射する場合がある。この距離範囲は、標的とライダ検出器アレイとの間の距離を指すことができる。電子回路によっては利得帯域幅積が固定されていることがあるので、非常に暗い標的と非常に明るい標的とをともに非常に高い時間精度で検出することが難しい場合がある。
例えば、特許文献１に記載されている従来の幾つかの光検出器デバイスは、電流応答性が入射光量又は入射光強度に比例しており、例えば０．４Ａ／Ｗであり得る。したがって、このようなデバイスは、非常に暗い物体と非常に明るい物体との双方を検出する性能に限界があり得る。暗い物体と明るい物体との間の検出範囲を、デバイスのダイナミックレンジと称することもある。このような従来型光検出器デバイスは、通常、到来する光信号の検出に応答して、アナログ信号を生成できる。通常、このアナログ信号は、ナイキスト周波数より上か、又は必要な情報の帯域幅の少なくとも２倍でサンプリングすることができる。このようなサンプリングは、コストがかかり（例えば、デバイスのフットプリント、すなわち「占有面積」の観点から）、並列化が困難である、及び／又はかなりの電力を消費する場合がある。
光検出器の感度を向上させるために、従来型光検出器デバイスの一部には、例えば、特許文献２に記載の「ブラックシリコン」の層とも称される、反射率を下げ、光吸収の波長範囲を広げるためのシリコンの表面改質を含むものもある。光閉じ込め構造を使用して、吸収確率を高めることもできる。例えば、幾つかの従来型の回折光閉じ込め構造が非特許文献１に記載されている。
米国特許出願公開第２０１２／０１４６１７２号 米国特許第８，６７９，９５９号明細書
Yokogawa他「IR sensitivity enhancement of CMOS Image Sensor with diffractive light trapping pixels」
幾つかの実施の形態によれば、光検出器デバイスは、半導体材料層と、前記半導体材料層中の少なくとも１つのフォトダイオードであって、該フォトダイオードの降伏電圧を超えてバイアスされて、入射光子の検出に応答するそれぞれの電気信号を生成するように構成されており、前記それぞれの電気信号は前記入射光子の光放射強度に依存しないものである、少なくとも１つのフォトダイオードとを備える。テクスチャ領域は、前記半導体材料層に結合しており、前記少なくとも１つのフォトダイオードによる前記入射光子の検出の際に、前記入射光子と相互作用するように配置された光学構造を備える。
幾つかの実施の形態では、前記少なくとも１つのフォトダイオードは、前記光検出器デバイスの画素を画定する２つ以上のフォトダイオードを含み、前記光学構造は、前記画素の前記２つ以上のフォトダイオードのうちのいずれかに前記入射光子を誘導することで検出するように構成されている。
幾つかの実施の形態では、それぞれの分離領域は、前記光検出器デバイスの隣接画素から前記画素を分離し、前記画素には、該画素の前記２つ以上のフォトダイオード間に前記それぞれの分離領域が存在しない。
幾つかの実施の形態では、前記それぞれの分離領域は、それぞれの深溝分離（ＤＴＩ）領域を含む。前記画素の前記２つ以上のフォトダイオード間に浅溝分離（ＳｒＴＩ）構造が設けられ、前記それぞれのＤＴＩ領域は、前記ＳｒＴＩ構造を超えて前記２つ以上のフォトダイオードから離れるように突き出している。
幾つかの実施の形態では、前記２つ以上のフォトダイオードのうちのいずれかによる前記入射光子の前記検出に応答して、前記２つ以上のフォトダイオードのうちの前記いずれかにより生成された前記それぞれの電気信号は、前記画素の前記２つ以上のフォトダイオードによって共有されていないそれぞれの電子回路素子を含むそれぞれの処理経路に出力されるよう構成されている。
幾つかの実施の形態では、読み出しウエハは前記それぞれの電子回路素子を有し、前記半導体材料層は前記読み出しウエハの表面上に積層される。
幾つかの実施の形態では、前記それぞれの電子回路素子は、それぞれのクエンチング回路及び／又は再充電回路を含む。
幾つかの実施の形態では、前記読み出しウエハの前記表面に隣接する前記読み出しウエハ内に金属層構造が設けられる。該金属層構造は、前記２つ以上のフォトダイオードの下に延在しており、該フォトダイオードとの間で電気信号を供給するように構成されている。
幾つかの実施の形態では、前記それぞれの電子回路素子は、アナログ時間積分器又はアナログカウンタを含み、前記金属層構造は、該アナログ時間積分器又は該アナログカウンタの積分コンデンサ又は計数コンデンサを含む。
幾つかの実施の形態では、前記光学構造は、前記２つ以上のフォトダイオードのうちのいずれかによる前記検出の前に、前記画素の前記２つ以上のフォトダイオードのうちの１つから前記入射光子を遠ざけるように構成されている。
幾つかの実施の形態では、前記光学構造は、前記入射光子の波長よりも短い１つ以上の寸法をそれぞれ含む回折素子である。幾つかの実施形態では、該回折素子は、逆ピラミッドアレイ（ＩＰＡ）構造とすることができる。
幾つかの実施の形態では、前記画素内の前記２つ以上のフォトダイオードのうちの少なくとも１つは、幾つかの実施形態において、そこから出力される前記それぞれの電気信号に応答して生成される制御信号を受けて、互いに独立して無効化される（disabled）ように構成される。
幾つかの実施の形態では、溝分離領域は、前記光検出器デバイスの隣接画素から前記画素を分離する。第１の電極及び第２電極は、前記画素の前記２つ以上のフォトダイオードのうちの前記少なくとも１つへと、前記フォトダイオード間の電圧差に基づいて逆バイアスを印加するように構成され、前記電圧差は、前記降伏電圧よりも大きい第１電圧と、前記降伏電圧よりも小さい第２電圧との間で切り替えることができる。
幾つかの実施の形態では、前記少なくとも１つのフォトダイオードは、実質的に平面の領域を有するそれぞれの半導体接合部と該半導体接合部縁部におけるガードリング構造とを有する、少なくとも１つの単一光子アバランシェ検出器（Single-Photon Avalanche Diodes：ＳＰＡＤ）を含む。
幾つかの実施の形態では、前記光検出器デバイスは、前記少なくとも１つのフォトダイオードを前記フォトダイオードの複数の画素間で有する光学センサアレイである。該光学センサアレイは、光検出測距（ＬＩＤＡＲ）検出器アレイであり、前記入射光子の源はＬＩＤＡＲ照射器アレイである。
幾つかの実施の形態によれば、光学センサアレイは、複数の画素であって、該画素のそれぞれは、入射光子に応答するそれぞれの電気信号を生成するように構成された２つ以上のフォトダイオードを含み、該それぞれの電気信号は前記入射光子の光放射強度に依存しないものである、複数の画素と、前記画素の隣接画素を分離するそれぞれの分離領域と、前記それぞれの分離領域間に配置され、前記画素のそれぞれの前記２つ以上のフォトダイオードのうちのいずれかに前記入射光子を誘導するように構成される光学構造とを備える。
幾つかの実施の形態では、前記画素のそれぞれには、前記画素の前記２つ以上のフォトダイオード間に前記それぞれの分離領域が存在せず、前記光学構造は、前記２つ以上のフォトダイオードのうちのいずれかによる検出の前に、前記画素のそれぞれの前記２つ以上のフォトダイオードのうちの１つから前記入射光子を遠ざけるように構成される。
幾つかの実施の形態では、前記それぞれの分離領域は、それぞれの深溝分離（ＤＴＩ）領域を含む。前記画素の前記２つ以上のフォトダイオード間で浅溝分離（ＳｒＴＩ）構造が延在し、前記それぞれのＤＴＩ領域は、前記ＳｒＴＩ構造を超えて２つ以上のフォトダイオードから離れるように突き出している。
幾つかの実施の形態では、前記光学構造は、前記入射光子の波長よりも短い１つ以上の寸法をそれぞれ含む回折素子である。該回折素子は、前記光学センサアレイの表面と前記２つ以上のフォトダイオードのうちの前記１つとの間の距離よりも長い光路長で、前記画素のそれぞれの前記２つ以上のフォトダイオードのうちの前記いずれかに前記入射光子を誘導するように構成される。
幾つかの実施の形態では、前記２つ以上のフォトダイオードは、実質的に平面の領域を有する半導体接合部と、該半導体接合部の縁部におけるガードリング構造とをそれぞれ含む。該半導体接合部は、該半導体接合部の降伏電圧を超えてバイアスされて、前記入射光子に応答する前記それぞれの電気信号を生成するように構成されている。
幾つかの実施の形態では、前記２つ以上のフォトダイオードのうちの前記いずれかによる前記入射光子の検出に応答して、前記２つ以上のフォトダイオードのうちの前記いずれかにより生成された前記それぞれの電気信号は、前記画素のそれぞれの前記２つ以上のフォトダイオードによって共有されていないそれぞれの電子回路素子を含むそれぞれの処理経路に出力されるように構成されている。
幾つかの実施の形態では、前記画素、前記それぞれの分離領域、及び前記光学構造は、第１の半導体層内又は第１の半導体層上に提供され、第２の半導体層が、前記それぞれの電子回路素子を有する。前記第１の半導体層は前記第２の半導体層の表面に結合されている。
幾つかの実施の形態では、前記第２の半導体層は、前記画素のそれぞれの前記２つ以上のフォトダイオードによって生成された前記それぞれの電気信号を受信し、該それぞれの電気信号によって示されるそれぞれの到来時間の間に時間相関を実行するように構成されたコントローラを更に含む。
幾つかの実施の形態では、前記光学センサアレイは光検出測距（ＬＩＤＡＲ）検出器アレイであり、前記入射光子の源はフラッシュＬＩＤＡＲ照射器アレイである。
幾つかの実施の形態では、前記光学センサアレイは光検出測距（ＬＩＤＡＲ）検出器アレイであり、前記入射光子の源はスキャニングＬＩＤＡＲ照射器アレイである。
幾つかの実施の形態によれば、光検出測距（ＬＩＤＡＲ）検出器アレイは、厚さが約１μｍ～約１００μｍの半導体材料層と、前記半導体材料層の複数の画素であって、該画素はそれぞれ少なくとも１つのフォトダイオードを含み、該フォトダイオードは、実質的に平面の領域を有する半導体接合部と該半導体接合部の縁部におけるガードリング構造とによって画定され、前記フォトダイオードに印加された逆バイアスが前記フォトダイオードの降伏電圧を超えた際、波長が約８００ナノメートル（ｎｍ）～約１２００ｎｍの入射光子に応答する電気信号を生成するように構成され、該電気信号は前記入射光子の光放射強度に依存しないものである、複数の画素と、前記画素の隣接画素を分離するそれぞれの深溝分離領域と、該それぞれの溝分離領域に隣接する前記画素のそれぞれにおける第１の接点及び第２の接点であって、前記半導体接合部間の電圧差に基づいて前記半導体接合部に逆バイアスを印加するように構成されている、第１の接点及び第２の接点と、前記画素と前記入射光子の源との間に配置された回折光学素子とを備えてなる。
幾つかの実施形態による他のデバイス、装置及び／又は方法は、以下の図面及び詳細な説明を検討することで当業者には明らかとなるであろう。全てのそのような追加の実施形態も、上記実施形態のありとあらゆる組み合わせに加えて、この説明内に含まれるとともに本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
本発明の幾つかの実施形態に係る例示的な光検出器デバイスを示す断面図である。 本発明の幾つかの実施形態に係る例示的な光検出器デバイスを示す断面図である。 本発明の幾つかの実施形態に係る例示的な光検出器デバイスを示す断面図である。 本発明の幾つかの実施形態に係る、画素毎に複数のフォトダイオードを含む例示的な光検出器デバイスを示す断面図である。 本発明の幾つかの実施形態に係る、画素毎に複数のフォトダイオードを含む例示的な光検出器デバイスを示す断面図である。 本発明の幾つかの実施形態に係る、各画素の複数のフォトダイオード間に浅い分離構造を含む例示的な光検出器デバイスを示す断面図である。 本発明の幾つかの実施形態に係る、読み出しウエハ上に積層された例示的な光検出器デバイスを示す断面図である。 本発明の幾つかの実施形態に係る、コンデンサ構造を含む読み出しウエハ上に積層された例示的な光検出器を示す断面図である。 本発明の幾つかの実施形態に係る例示的なライダシステム又は回路及び関連構成要素を示すブロック図である。 本発明の幾つかの実施形態に係る例示的なライダシステム又は回路及び関連構成要素を示すブロック図である。
感度増強ＣＭＯＳイメージセンサは、各画素を隣接画素から分離する深溝分離（ＤＴＩ）構造からの全反射を受けるような角度で垂直入射光線を十分に屈折させる、逆ピラミッドアレイ（ＩＰＡ）構造等のサブ波長回折光閉じ込め構造を形成することにより、ＣＭＯＳイメージセンサの感度を向上させるように設計可能である。この光は、回折光閉じ込め構造を使わずに同様に垂直入射する光と比較して、シリコン内でより長距離の経路を伝達する。経路が長くなると吸収しやすくなるので、デバイスの感度を高めることができる。このＤＴＩ構造は、光子が１画素よりも多く衝突して、隣接画素で収集される電荷を生成することを防止できる。
このような従来型デバイスは、入射光強度を比例電流へと変換するように、電流応答性が入射光子の光強度に比例する光検出器デバイスを含むことができる。サブガイガ・フォトダイオード（sub-Geiger photodiodes）、サブガイガ・アバランシェ・フォトダイオード（sub-Geiger avalanche photodiodes）、又はアバランシェ・フォトダイオード（avalanche photodiodes：ＡＰＤ）とも称するこのような光検出器デバイスは、ダイナミックレンジに限りがある場合がある。例えば、ダイオードの平面の領域の降伏電圧の付近で、この降伏電圧において、又はこれを超えて動作すると、早期降伏の影響を受けやすくなり、損傷又は信頼性の低下につながる恐れのある非平面半導体接合部領域によって、サブガイガ・フォトダイオードは、降伏電圧を超えて動作することはできない。また、このようなサブガイガ・フォトダイオードの通常の実装では、時間応答性の精度が下がる場合があるので、このようなセンサで光子の到来時間を正確に測定する性能が制限される。
一方、本発明の実施形態は、入射光子の光強度に依存しない電気信号を生成可能とするガイガモード・フォトダイオードを含む、高い量子効率及び／又は高感度の光検出器デバイスを提供する。本明細書に記載の幾つかの実施形態は、ガイガモード・アバランシェ・ダイオードとしても知られる単一光子アバランシェ・ダイオード（ＳＰＡＤ）を対象とする。特定の実施形態は、シリコンＳＰＡＤを対象としているが、本発明はシリコンに限定されず、したがって、他の半導体材料を含むよう、適用又は汎用化することができる。すなわち、シリコンを参照して述べているが、本発明の実施形態は、光電子デバイスへの組み込みに適した他の半導体材料にも実装することができる。
ガイガモード・アバランシェ・ダイオードの動作に際して、デバイスの空乏層に導入された単一電荷キャリアを、衝突電離と呼ばれるプロセスを通じて二次電荷対を作成するのに十分な運動エネルギーを搬送する地点まで加速できるのに十分な大きさの電場を生成するために、ダイオードの降伏電圧を超える逆バイアスを印加する。このようにして、単一吸収光子は、電場を受ける接合部全体に広がり、降伏して、導電性になることで、元の電子正孔対を電流へと効果的に増幅する自己永続的イオン化カスケード（self-perpetuating ionization cascade）をトリガできる。アバランシェは、アクティブ又はパッシブのうちのいずれかのクエンチ回路によってクエンチできるので、ダイオードから見た逆電圧が降伏電圧よりも低い値まで低下し、これにより、アバランシェが停止して、デバイスを「リセット」して、さらに多くの光子を検出できるようになる。
単一入射光子が高電場領域に衝突することによって、初期電荷キャリアを光電気的に生成できる。この単一光子検出動作モードは、「ガイガモード」と称されることが多い。ガイガモードで動作する単一のＳＰＡＤセンサは、「オン」又は「オフ」状態のうちのいずれかを取る光子トリガスイッチとして機能することで、ダイオード内で同時に吸収される光子の数に関係なく、バイナリ出力が得られ、単一光子の信号と変わらない信号が生成される。
ガイガモードデバイスの様々な実装は、正面照射モードで操作できる。赤色及び近赤外線の波長ではシリコンの吸収係数が低いので、これらのデバイスの多くは、光子検出確率（ＰＤＰ）が１％未満又は数％程度という低さの問題を抱える場合がある。この欠点は、シリコン内により深い、及び／又はより広い接合部を形成することによって、一部解消することができる。しかし、より深い、及び／又はより広い空乏領域接合部は、通常低ドープであるので、デバイスのアレイ全体では特に、降伏電圧が不均一になるという問題を抱える可能性がある。さらに、こうしたデバイスの空乏及び／又は増倍領域の直径及び／又は体積が増加するにつれて、タイミング解像度が上がる場合があり、これは後続するアバランシェのタイミングにおけるジッタの広がりにつながり得る。同様に、アノード又はカソードノードから接合部への電気経路が延びる又は湾曲すると、直列抵抗が増加することがあり、アバランシェをクエンチするのに必要な時間とアバランシェ中に消費される電力とが増加することがある。接合部が深くても、ＰＤＰは、例えば２％のように、低くなることがある。
ウエハの裏面を適切な厚さにバックグラインド（Back-grinding）し、この裏面から照射すると、光子とシリコンとの間の相互作用の長さが延びて、ひいては、長波長光子の吸収確率を高め得る。ウエハの厚さを約３マイクロメートル～約６マイクロメートルにすることが実証されている。この薄いウエハは、デバイスの適切な動作で必要な回路を含む第２のＣＭＯＳウエハへと結合することができる。しかし、こうした裏面照射型デバイスであっても、通常、限られたＰＤＰしか、例えば４％しか得られない。吸収領域を更に拡大すると、電荷が隣接画素に拡散することによって光クロストークが発生することがある。この拡散は、これらの電荷を一部含み得る電場を生成することで低減できるが、シリコン基板が深くなるにつれて、光生成電荷を閉じ込めにくくなる。また、デバイスによっては、感度を高めるための反射防止（antireflective：ＡＲ）コーティング、及び／又はシリコン内の光子の有効光路長を延ばすためのフォトダイオード背後のメタライゼーション層を含むものもあるが、ＳＰＡＤ表面に垂直衝突する光子は、同じ軌道で（例えば、回折せずに）移動し続ける場合があり、これにより、より高い吸収確率を得られなくなり得る。
本発明の幾つかの実施形態は、入射光子の吸収確率を高めるように構成されたテクスチャ領域、及び／又は分離領域と組み合わせたガイガモード・フォトダイオードを含む光検出器デバイス及びセンサアレイを提供する。例えば、本明細書に記載の実施形態は、１つ以上のフォトダイオードを含む画素の１つ以上の表面内又は表面上に光学構造（ブラックシリコン、及び／又は回折光閉じ込め構造等）を含み得る。幾つかの実施形態において、この光学構造は、フォトダイオードと、これが撮像するシーン又は視野との間に配置可能である。本明細書に記載の実施形態は、例えば、レーザを使用して、粗い表面を調製することを含むことができ、一方、本明細書に記載の回折光学素子は、或る波長以下程度であってもよく、さらに、シリコン内の光の光路長が延びることにより、吸収確率が高くなるように、最も近いフォトダイオードを避けて、センサ表面からの光を屈折させる構造を提供する。
ＳＰＡＤベースの焦点面撮像アレイの設計には、設計目標の競合を伴う場合がある。一方、ＳＰＡＤデバイスの物理サイズを小さくすることが望ましい場合もある。アバランシェ中、及び再充電中にＳＰＡＤを流れる電流は、容量に正比例し、その容量は面積に比例する。さらに、小さく容量の低いＳＰＡＤは、大きなＳＰＡＤよりもデッドタイムが短くなり、光子の検出頻度が増える可能性があるので、ダイナミックレンジを高くできる。したがって、総電流、電力、及び単一ＳＰＡＤ、又は更にはＳＰＡＤの大規模なアレイで放散される熱を削減するために、並びに、より高いダイナミックレンジを得るために、ダイオードの面積を減らすことが望ましい場合がある。その上、アフタパルス等、ＳＰＡＤの或る特定のノイズ源は、ＳＰＡＤ面積に比例することもある。一方、ＳＰＡＤのサイズを小さくすると、通常、例えば、アバランシェを含み、検出不可能なガードリング構造が原因でフィルファクタが減少する。また、一部の光学系の解像度はその光学素子で決まる場合があり、この解像度は小さなＳＰＡＤのピッチよりも低くなることがある。マイクロレンズの集光効率もレンズサイズに応じており、具体的には、開口数が制限される場合があるので、低ピッチダイオードの集光効率を改善できる場合がある。
本発明の幾つかの実施形態は、小型ＳＰＡＤデバイスの利点を維持しつつ、低ピッチアレイの利点も得られる画素のアレイを提供する。具体的には、幾つかの実施形態は、集光効率又は有効フィルファクタを損なわずに低電力動作を提供でき、点拡がり関数（Point Spread Function）を減らして、低コストの光学素子の解像度に適合させることができる。
そして、本発明の幾つかの実施形態は、２つ以上のフォトダイオードを含む画素において感度を高めて光子を検出する光子混合光電子構造を提供する。一般性を失うことなく、幾つかの実施形態において、各画素には２つ以上のフォトダイオードが含まれるが、二次元光学センサの視野の１つの領域を撮像又はサンプリングするために配置されるか、又は他の方法で使用される。したがって、光子が該当画素に対応する開口領域に入ると、この光子は、画素内の複数のフォトダイオードのうちのいずれかに吸収される確率が等しくなる。幾つかの実施形態において、画素内のフォトダイオードのそれぞれは、対応する電子回路素子によって処理されるそれぞれの電気信号を生成するように構成される。幾つかの実施形態において、所望の情報を生成するために、画素内の２つ以上のフォトダイオードからの電気信号を比較させるか、相関させるか、又はブール演算（例えば、対応する回路素子によって）処理する。例えば、それぞれの電気信号が示す各到来時間同士の相関を実行できる。幾つかの実施形態において、画素内の１つ以上のフォトダイオードを、大域的、又は画素ごとのいずれかで、静的（例えば、所与の時間において）又は動的（例えば、ＦｏＶの変化に応答して、及び／又は制御信号に応答して（例えば、本明細書に記載の制御回路６０５によって提供されるように））のいずれかで、無効化することができる。画素が受信した信号レベルを受けて、制御信号を生成できる。例えば、標的からの比較的強い信号の初期検出に応答して、画素の消費電力が削減されるよう、画素を画定する４つのＳＰＡＤのうちの３つを非アクティブ化できる。
図１Ａは、本発明の幾つかの実施形態に係る、光検出器デバイスの形態をとる光電子デバイス又は構造を示す断面図である。図１Ａで見られるように、光検出器デバイス１００ａは、１つ以上のフォトダイオード１０５を内部に備える半導体材料層又はセンサウエハ１０１を備える。例えば、半導体材料層１０１は、入射光表面を有するシリコン（又は、他の半導体）材料を含み得る。第１の領域及び第２の領域は、フォトダイオード１０５の半導体接合部（例えば、ｐ－ｎ接合部）１０５ｎ／１０５ｐを画定するよう、（例えば、ドーピングによって）半導体材料層１０１内で形成可能である。幾つかの実施形態において、半導体材料層１０１は、厚さが約１μｍ～約１００μｍとすることができる。フォトダイオード１０５は、表面積が約０．１μｍ2～約１０００μｍ2とすることができる。光検出器デバイス１００ａは、複数の撮像画素を含む光学センサアレイの一部（例えば、画素構造や画素とも称される）を示すことができる。
フォトダイオード１０５は、このフォトダイオードの降伏電圧を超えてバイアスされて、入射光子１０として示される入射電磁放射の検出に応答する電気信号を生成するように構成される単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）等のガイガモード・フォトダイオードとすることができ、このフォトダイオード１０５によって生成される電気信号は、入射光子１０の光強度に依存しない。すなわち、光検出器デバイス１００ａは、電磁放射１０の入射光強度に依存しない二元応答性を有する。幾つかの実施形態において、フォトダイオード１０５は、（例えば、入射光子１０の経路に波長選択フィルタを含めることによって）約８００ナノメートル（ｎｍ）～約１２００ｎｍの範囲の少なくとも１つの波長を有する電磁放射を検出するように構成可能である。また、フォトダイオード１０５は、アバランシェプロセスを制御するためのガードリング構造１０５ｇと、半導体材料層１０１に結合するテクスチャ領域１１５とを備える。図示した（Ｐ－）ガードリング１０５ｇは、例示目的に過ぎず、一般性を損なわずに、当該技術分野において既知とされる他の多くのものに置き換えても良い。
テクスチャ領域１１５は、フォトダイオード１０５が検出する際に入射光子１０と相互作用するように配置された光学構造を含む。例えば、テクスチャ領域１１５は、ナノサイズからミクロンサイズの表面変動を伴うトポロジを有する表面を含み得る。テクスチャ領域１１５の特性は、使用される材料及び技術に応じて異なり得る。幾つかの実施形態において、テクスチャ領域１１５は、厚さが数百ナノメートルとすることができ、ナノ結晶（例えば、約１０ｎｍ～約５０ｎｍ）及びナノポアから構成可能である。幾つかの実施形態において、テクスチャ領域１１５は、ミクロンサイズの構造（例えば、約１μｍ～約６０μｍ）を含み得る。幾つかの実施形態において、テクスチャ領域１１５は、約５ｎｍ～約１０μｍのナノサイズ、及び／又はミクロンサイズの構造を含み得る。
幾つかの実施形態において、テクスチャ領域１１５は、半導体材料層１０１の表面に形成可能である。例えば、テクスチャ領域１１５は、半導体材料層１０１の表面をテクスチャ加工するのに十分なエネルギーの１つ以上のレーザビームを使用して、フォトダイオード１０５を内部に含むセンサウエハ又は半導体材料層１０１の裏面又は裏側１０１ｂに形成可能である。別の例として、半導体材料層１０１の裏面１０１ｂのテクスチャ加工は、テクスチャ領域１１５を形成する反応性化学溶液を使用して実施可能である。
テクスチャ領域１１５は、半導体材料層１０１のフォトダイオード１０５によって、具体的には、半導体材料層１０１内の入射光子１０の光路長を延ばすことにより、入射光子１０の吸収確率を高めるように構成される。すなわち、表面１０１ｂに入射する光子１０の場合、テクスチャ領域１１５は、フォトダイオード１０５による検出の前に、（光子が表面１０１ｂから下にあるフォトダイオード１０５まで直接移動する距離と比較して）ウエハ１０１内の光子１０が移動する経路を延ばすように構成され、この場合、光路長が延びると、光子１０の吸収確率を上昇させ、ひいては、デバイス１００ａの感度を増加させることができる。例えば、タイム・オブ・フライトベースの測定システムの照射器によって使用可能な長波長光子（例えば、約８００ｎｍ～約１２００ｎｍ）の吸収確率を増加することができる。フォトダイオード１０５と電磁放射源１０との間に配置されて示されているが、実施形態によっては、テクスチャ領域１１５を、（例えば、テクスチャ領域１１５と入射光子源１０との間にフォトダイオード１０５があるように）入射光子源１０から半導体材料層１０１の反対側に配置しても良いことを理解されたい。より一般的には、半導体材料層１０１内の１つ以上のフォトダイオード１０５による入射光子１０の検出と相互作用するように、半導体材料層１０１の１つ以上の表面又は領域にテクスチャ領域１１５を設けることができる。
また図１Ａを参照すると、光検出器デバイス１００ａは、第１の電極１０７ｎ及び第２の電極１０７ｐも更に含み得る。電極１０７ｎ、１０７ｐは、電極１０７ｎ、１０７ｐ間の電圧差に基づいて、フォトダイオード１０５をその降伏電圧を超えてバイアスするように構成される。具体的には、電極１０７ｎ、１０７ｐは、フォトダイオード１０５のアノード及びカソードを画定可能であり、逆バイアス電圧を、電極１０７ｎ、１０７ｐの両端に印加できる。幾つかの実施形態では、逆バイアス電圧は、約１０Ｖ～約２００Ｖとすることができる。電極１０７ｎ、１０７ｐ間の電圧差は、フォトダイオード１０５内でアバランシェ状態を作り出すために、入射光子１０の検出に応答して生成された電荷を空乏領域まで引っ張る電場勾配を画定する。幾つかの実施形態において、電極１０７ｎ、１０７ｐ間の電圧差は、フォトダイオード１０５の降伏電圧よりも大きい第１の電圧と、フォトダイオード１０５の降伏電圧よりも小さい第２の電圧との間で切り替えることができる。幾つかの実施形態において、フォトダイオード１０５のアノード及びカソードを画定する電極１０７ｎ、１０７ｐは、クエンチング回路、及び／又は再充電回路へと接続できる。
幾つかの実施形態において、裏面電極１０７ｂを、テクスチャ領域１１５上か、又はこのテクスチャ領域を囲んで設けることができる。幾つかの実施形態では、分離領域１１０に隣接して、及び／又はこれに沿って延びる追加電極１０７ｅを設けることができる。電極１０７ｂ、１０７ｅは、光生成電荷を画素領域に閉じ込めて、クロストークを低減するように構成可能である。欠陥が半導体材料層１０１内で形成されないよう、（例として、深溝分離（ＤＴＩ）構造又は領域１１０として図示する）分離領域を、誘電材料（ＳｉＯ２等）で充填して、例えば、高濃度ドープ半導体材料を用いて不動態化できる。幾つかの実施形態において、半導体材料層１０１は、結晶シリコン基板とすることができる。
フォトダイオード１０５は、アバランシェ降伏をより均一にするガードリング構造１０５ｇを含み得る。幾つかの実施形態において、フォトダイオード１０５は、実質的に平面の半導体接合部１０５ｎ／１０５ｐと、接合部１０５ｎ／１０５ｐの縁部における、又は外周に沿ったガードリング構造１０５ｇとを含むことができ、これにより、接合部１０５ｎ／１０５ｐが逆バイアスされた際に形成される電場が十分に均一になる。したがって、アバランシェ降伏時に、アバランシェ電流の大部分は、接合部１０５ｎ／１０５ｐの縁部又は隅部ではなく、接合部１０５ｎ／１０５ｐの平面の領域内を流れる。本明細書では、主として、半導体材料層１０１としてＰ型基板１０５ｐに形成されたｐ－ｎ接合部１０５ｎ／１０５ｐを囲む拡散Ｐ型ガードリング１０５ｇを参照して説明しているが、本発明の実施形態は、伝導型が逆の光検出器デバイス（例えば、ｐ－ｎ接合部を囲む拡散ｎ型ガードリングを備えた半導体材料層としてのＮ型基板）、及び／又は他のフォトダイオード型を含み得ることを理解されたい。
図１Ｂ及び図１Ｃは、本発明の幾つかの実施形態に係る光検出器デバイス１００ｂ、１００ｃを示す断面図である。図１Ｂ及び図１Ｃで見られるように、光検出器デバイス１００ｂ、１００ｃは、ガードリング構造１０５ｇを備えた個々のガイガモード・フォトダイオード１０５を有する半導体材料層又はセンサウエハ１０１の配置を含む。フォトダイオード１０５は、（例として、深溝分離（ＤＴＩ）構造又は領域１１０として図示する）分離領域によって、半導体材料層１０１内の他のガイガモード・フォトダイオードから分離されている。分離領域は、隣接するフォトダイオード１０５間に形成される障壁を画定できるので、それぞれの画素構造に境界が設けられる。この障壁は、一般性を損なわずに、トレンチ、不動態化トレンチ、充填トレンチ、充填不動態化トレンチ、ウエハ表面（例えば、シリコン材料のウエハ）上の電極で画定される電場、ウエハの裏面の電極で画定される電場、トレンチ上又はトレンチ内の電極によって画定される電場、及び帯電シリコン貫通電極で画定される電場の形をとり得る。
図１Ｂ及び図１Ｃにおいて、ＤＴＩ領域１１０の形をとる分離領域は、センサウエハ１０１内のフォトダイオード１０５を囲む。ＤＴＩ領域１１０は、フォトダイオード１０５で画定される画素の境界を画定する。図１Ｂにおいて、電極１０７ｅは、フォトダイオード１０５の反対側のＤＴＩ領域１１０に沿って延びる。図１Ｃにおいて、裏面電極１０７ｂはまた、ＤＴＩ領域１１０に沿って、且つフォトダイオード１０５上の光学構造１１５’に沿って延びる。電極１０７ｎ、１０７ｐ、１０７ｂ、１０７ｅは、検出されるべき光信号に対応する波長範囲の光子１０を実質的に通す材料（インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等）から形成できる。幾つかの実施形態において、このような透明電極１０７ｎ、１０７ｐ、１０７ｂ、１０７ｅは、光学構造１１５’の大部分又は全体にわたって延びることができる。幾つかの実施形態では、ガイガモード・フォトダイオード１０５に存在し得る電場が比較的高いので、不動態化処理をＤＴＩ領域１１０に適用することができ、これにより、半導体材料層１０１（例えば、シリコン）の結晶構造の不連続性によって、高電場領域に電荷が注入されず、暗計数率が高くなる。
半導体材料層１０１内のフォトダイオード１０５と相互作用し、フォトダイオード１０５による入射光子１０の吸収確率を高めるよう、光学構造１１５’を含むテクスチャ領域を、フォトダイオード１０５と入射光子源１０との間の光検出器デバイス１００ｂ，１００ｃの受光面に配置する。図１Ａを参照して同様に上述したように、光学構造１１５’は、フォトダイオード１０５によって、具体的には、半導体材料層１０１内の入射光子１０の光路長を延ばすことにより、入射光子１０の吸収確率を高めるように構成される。図１Ｂ及び図１Ｃにおいて、光学構造１１５’は回折素子であり、センサウエハ１０１の裏面１０１ｂからフォトダイオード１０５に向かって突き出す逆ピラミッドアレイ（inverted pyramidal array：ＩＰＡ）構造として図示されている。回折素子１１５’はそれぞれ、入射光子１０の波長よりも短い１つ以上の寸法を含み得る。幾つかの実施形態において、回折素子１１５’は、入射光子１０がそれぞれの分離領域１１０から全反射を受けるような角度で、入射光子１０を屈折するように構成可能である。
図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃで見られるように、センサウエハ１０１を、読み出しウエハ１０２の表面に結合するか、又は他の方法で積層可能である。読み出しウエハ１０２は、メタライゼーション１０８と、本明細書では検出信号とも称される入射光子１０に応答してフォトダイオード１０５で生成された電気信号用の処理経路１９９を供給するよう、フォトダイオード１０５に結合する電気回路素子とを備える。幾つかの実施形態において、読み出しウエハ１０２の電気回路素子は、例えば、その開示内容を引用することにより本明細書の一部をなすものとする「Methods and Systems for High-Resolution Long Range Flash Lidar」と題する米国特許出願公開第２０１９／０２５０２５７号に記載されているような、各フォトダイオード１０５用のアクティブ、及び／又はパッシブクエンチング、及び／又は再充電回路を含み得る。読み出しウエハ１０２は、本明細書に記載のＴｏＦ測定操作を実行するように構成される（例えば、図６Ａ及び図６Ｂを参照して検討される）制御回路、タイミング回路、及び／又は相関回路も更に含み得る。
本発明の更なる実施形態は、分離領域が複数のフォトダイオード間で延在するか、又はフォトダイオードを囲む光検出器デバイス及び光学センサアレイを対象とする。これらの複数のフォトダイオードは、ともにアクティブ化することも、フォトダイオードの部分集合がアクティブ化するよう、一部だけをアクティブ化することもできる。例えば、標的から比較的強い信号を検出したことを受けて、画素の消費電力が７５％削減されるよう、画素を画定する４つのＳＰＡＤのうちの１つだけをアクティブ化できる。これらの複数のフォトダイオードは個々に読み取り可能である、すなわち、それらの出力は、分離領域間で他のフォトダイオードの一部又は全てにより共有されていないそれぞれの電子デバイス、及び／又は回路経路を使用してサンプリングできる。分離領域間のフォトダイオードのグループ、すなわち集合は、画像の単一要素を作る画素を画定可能であり、この場合、画像は、画素のアレイの集合的出力を指すことができ、例えば、光子束や光子偏光や光子の到来時間等の任意の出力を含み得る。したがって、画素構造上、画素構造内、又は画素構造よりも高い任意の場所で光学構造（例えば、ＩＰＡ）に衝突する光子は、フォトダイオードのうちのいずれかにより画素ボリューム内の任意の場所で吸収可能であり、生成された電荷は、画素内の任意のフォトダイオードによって収集、出力されて、入射光子を空間的に「混合」し、これによって画像化された視野をより均一にサンプリングできる。すなわち、画素ごとの２つ以上のフォトダイオード、及び／又は回折光学素子は、入射光束を複数のフォトダイオードにわたり分散するように構成され、これによって画素のフォトダイオードのうちのいずれか１つの飽和を低減又は回避して、ダイナミックレンジを拡大できる。
一方、ダイ外側のマクロレンズ及びウエハ頂部のマイクロレンズ（すなわち、回折光構造のない光学素子）等、幾つかの従来の光学素子を使用する場合、吸収確率は通常不均一であり、通常、画素内の１点で増加又は最大化される。吸収確率がフォトダイオード全体にわたって均一にならないことがあるので、相関検出画素等の複数のフォトダイオードを備えた画素では、このことは望ましくない場合がある。フォトダイオードごとに１つのマイクロレンズを使用する場合、フォトダイオードごとに検知されるボリュームは、相関するフォトダイオードのボリュームと完全には重ならないことがあるので、対象物からの光子到来の真の相関を達成することができない。また、ＩＰＡ構造を使用する幾つかの従来型デバイスは、反射光子が隣接フォトダイオードに吸収されるのを制限するために、接合部の降伏電圧よりも低い電圧で逆バイアスされたフォトダイオード間にＤＴＩ領域を含み得る。通常、光生成電荷が拡散して、吸収領域より下のフォトダイオードによってのみ収集されるよう、こうしたＤＴＩ領域は、シリコンの表面から裏面まで完全に延びる。
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の幾つかの実施形態に係る、フォトダイオードのそれぞれがそれぞれの電子回路を介して読み取るためのそれぞれの電気出力を供給する複数のフォトダイオードを分離領域間に含む、例示的な光検出器デバイスを示す断面図である。図２Ａ及び図２Ｂで見られるように、光検出器デバイス２００ａ、２００ｂは、２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂを内部に備える半導体材料層又はセンサウエハ２０１を備える。フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂはそれぞれ、半導体接合部（例えば、ｐ－ｎ接合部）１０５ｎ／１０５ｐを画定する第１の領域及び第２の領域を含み得る。フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂは、アバランシェ降伏をより均一にさせるガードリング構造１０５ｇを備え、フォトダイオードはそれぞれ、接合部１０５ｎ／１０５ｐの縁部、又は外周に沿ってガードリング構造１０５ｇを備えた実質的に平面の半導体接合部１０５ｎ／１０５ｐを含み得る。図２Ａ～図２Ｃの例では、共通ガードリング構造１０５ｇが、複数のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂを中心に延びているが、本発明の実施形態はこれに限定されず、幾つかの実施形態において、各フォトダイオード１０５ａ及び１０５ｂはそれぞれのガードリング１０５ｇを含み得る。フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂは、ＳＰＡＤ等のガイガモード・フォトダイオードとすることができ、これらはそれぞれ、入射光子１０の検出に応答する電気信号を生成するために、その降伏電圧を超えてバイアスされるように構成される。光検出器デバイス２００ａ、２００ｂは、複数の撮像画素を含む光学センサアレイの一部（例えば、画素）をそれぞれ示し、２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂが各画素を画定する。
図２Ａ及び図２Ｂの光検出器デバイス２００ａ、２００ｂは、光検出器デバイスの或る画素を画定する２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂを隣接画素から分離する分離領域を更に含む。図２Ａ及び図２Ｂの例では、分離領域は、ＤＴＩ領域１１０として示されているが、本発明の実施形態は、隣接画素間の分離領域として他の障壁を含み得ることを理解されたい。幾つかの実施形態において、ＤＴＩ領域１１０は、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂと隣接する表面から、（裏面２０１ｂとして図示する）半導体材料層２０１の表面まで延びることで、隣接画素同士の実質的、及び／又は完全な分離をもたらす。各画素の２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂは、これらの間にそれぞれのＤＴＩ領域１１０が無いので、各画素内の複数のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのうちのいずれかによる入射光子１０を検出することができる。例えば、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂは、それぞれのＳＰＡＤによって実装可能であり、各画素は複合ＳＰＡＤ構造を画定する（例えば、画素ごとに４元ＳＰＡＤアレイであり、図２Ａ～図２Ｃの断面図では、ＳＰＡＤ１０５ａ及び１０５ｂのうちの２つのみが図示されている）。この配置は、視野の同じ角度領域をサンプリングする複数のフォトダイオード１０５、１０５ｂを提供しており、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂはそれぞれ、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂにおける他のフォトダイオードから分離せずに、角度領域のそれぞれの角度の一部をサンプリングする。
光検出器デバイス２００ａ，２００ｂは、入射光子１０を、特定のフォトダイオードではなく、各画素内の２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのうちのいずれかまで誘導するように構成された光学構造１１５、１１５’を更に含み得る。例として、光学構造１１５、１１５’は、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂと入射光子源１０との間に配置されている。図２Ａでは、テクスチャ領域（例えば、センサウエハ２０１の半導体材料層のテクスチャ表面）が、光学構造１１５を提供し、一方、図２Ｂでは、光学構造１１５’は、（各画素の２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂに向かって突き出たＩＰＡ構造として図示される）回折素子のアレイとして実装されている。
幾つかの実施形態では、光学構造１１５、１１５’は、本明細書に記載のように様々なサイズ及び形状を有していてもよく、入射光子１０の波長よりも短い１つ以上の寸法を有するそれぞれの素子（例えば、ＩＰＡのそれぞれのピラミッド型構造）を含み得る。例えば、回折素子１１５’は、入射光子１０がそれぞれの分離領域１１０から全反射を受けるような角度で、入射光子１０を屈折するように構成可能である。光学構造１１５、１１５’は、例えば、一方のフォトダイオード１０５ａ（近い方）から光子１０を遠ざけて、別のフォトダイオード１０５ｂ（遠い方）に向けることによって、（光子が表面２０１ｂから下層のフォトダイオード１０５ａ又は１０５ｂまで直接移動する距離と比較して）画素のフォトダイオード１０５ａ又は１０５ｂのうちの一方による検出の前に画素のボリューム内で光子１０が移動する経路を延ばすよう構成される。より一般的には、光学構造１１５、１１５’は、表面（例えば、裏面２０１ｂ）に垂直な入射光が光検出器デバイス２００ａ、２００ｂの直下のフォトダイオード１０５ａ又は１０５ｂに到達するために移動する距離（例えば、ウエハ２０１の厚さに対応する距離）に対して、光検出器デバイス２００ａ、２００ｂ内の入射光子１０の光路長（ひいては、吸収又は検出確率）を増加させるように構成される。
各画素内の複数のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのグループを画定するための分離領域１１０の配置、及び／又は各画素内の複数のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのうちのいずれかに入射光子１０を誘導するための光学構造１１５、１１５’の配置は、視野をより均一に撮像するための（本明細書ではサンプリングとも称される）光子混合構造を提供することができる。例えば、図２Ａ及び図２Ｂの矢印で示すように、分離領域１１０、及び／又は光学構造１１５、１１５’は、光路長を延ばし、例えば、各画素内の分離領域１１０、及び／又はこれら領域間の他の反射面から反射されるように光子１０を誘導することによって、左右のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂに入射する光子１０を空間的に混合するように構成される。具体的には、図２Ａ及び図２Ｂの矢印で示すように、左側フォトダイオード１０５ａの上の裏面２０１ｂに入射した光子１０は、光学構造１１５、１１５’によって最も近いフォトダイオード１０５ａから遠ざかるように方向転換され、右側フォトダイオード１０５ｂが吸収する前に、センサウエハ２０１の反対側表面、及び／又はガードリング１０５ｇの表面から複数回反射可能である。
フォトダイオード１０５ａ及び１０５ｂはそれぞれ、画素の視野のそれぞれの副部分（例えば、画素の１度の視野の各副部分）をサンプリングするように配向されている。すなわち、各フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂは、画素によって撮像された角度領域のそれぞれの角度部分領域をサンプリングするように配置され、分離領域１１０、及び／又は光学構造１１５、１１５’によって画定された光子混合構造は、空間解像度を落として、画素によって撮像される角度領域のサンプリングをより均一にするよう、各画素の複数のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂ全体にわたって入射光束１０を分配するように構成される。したがって、光検出器デバイス２００ａ、２００ｂは、各画素内の２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのうちのいずれかによる入射光子１０の検出に応答するそれぞれの電気信号を生成するように構成されており、光子混合構造は、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのうちのいずれか１つの飽和を回避する（又は、その尤度を低減する）ことができ、これにより、光検出器デバイス２００ａ、２００ｂのダイナミックレンジを増加させることが可能である。
また図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、光検出器デバイス２００ａ、２００ｂは、電極間の電圧差に基づいてフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのそれぞれをそれぞれの降伏電圧を超えてバイアスするように構成された第１の電極１０７ｎ及び第２の電極１０７ｐを含み得る。入射光子を検出するために、各画素内のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂの異なる部分集合又はサブグループを、個々にアクティブ化又は非アクティブ化することができるよう、電極１０７ｎ、１０７ｐは、画素内の各フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのそれぞれのアノード及びカソードを画定することができる。幾つかの実施形態において、電極１０７ｎ、１０７ｐ間の電圧差は、それぞれのフォトダイオード１０５ａ、及び／又は１０５ｂをアクティブ化するためのそれぞれの降伏電圧よりも大きい第１の電圧と、それぞれのフォトダイオード１０５ａ、及び／又は１０５ｂを非アクティブ化するためのそれぞれの降伏電圧よりも小さい第２の電圧との間で切り替え可能である。例えば、画素の複数のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂによる入射光子の検出に応答して、フォトダイオード１０５ａ及び１０５ｂの部分集合を非アクティブ化して、電力消費を抑えることができる。
画素の各フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂは、入射光子１０の検出に応答して、それぞれの電気信号である読み出しＡや読み出しＢを（例えば、読み出し回路から提供される）それぞれの処理経路に出力するように構成可能である。読み出し回路は、センサウエハ２０１、又は、異なる基板上（例えば、本明細書に記載の読み出しウエハ２０２、３０２、４０２、５０２上）に設けてもよい。それぞれの処理経路は、画素のそれぞれの２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂと共有されないそれぞれの電子回路素子を含み得る。
幾つかの実施形態において、読み出し回路は、互いの光子に対する所定相関時間内の２つ以上の光子それぞれの到来時間に基づいて、タイム・オブ・フライト測定システム（例えば、ライダ照射器アレイ）から出力された光信号に対応する入射光子を環境光から区別するように構成された相関器又は制御回路を含み得る。このような相関器回路については、例えば、引用することにより本明細書の一部をなすものとする「Methods and Systems for High-Resolution Long Range Flash Lidar」と題する米国特許出願公開第２０１９／０２５０２５７号に記載されている。フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂによって生成されたそれぞれの電気信号である読み出しＡや読み出しＢは、それぞれの伝送路を介して、（例えば、読み出しウエハ２０２、３０２、４０２、５０２に設けられた）読み出し回路に出力可能である。読み出し回路は、光子１０の相対到来時間（時間的相関）、及び／又はそれぞれの波長（スペクトル相関）に基づいて、入射光子１０に応答して出力されるそれぞれの電気信号である読み出しＡや読み出しＢの間の時間、及び／又はスペクトル相関を実行するように構成可能である。
例えば、ＬＩＤＡＲシステムを環境光条件で動作させる際、ＳＰＡＤベースの光検出器デバイス又は光学センサアレイは、（バックグラウンド光子とも称する）環境光からの光子と、（信号光子とも称する）ライダ照射器が出力する光信号からの光子とを区別することが困難な場合がある。読み出し回路は、相関器と、入射光子１０の検出に応答して、フォトダイオード１０５ａ及び１０５ｂによってそれぞれ生成される電気信号である読み出しＡ及び読み出しＢのためのそれぞれの入力を有する光子カウンタ、又は時間積分器を含むことができ、この光子カウンタ、又は時間積分器は、（一致、又は相関検出とも称される）それぞれの到来時間の間の時間相関に基づいて光子を選択的に計数するよう構成することができ、これによって処理される入射光子の量を減らすことができる。例えば、パルス化ＬＩＤＡＲ照射器（例えば、レーザ）から発生し、標的により反射された光子が、比較的狭い時間枠、又は相関窓に到来し得るという認識に基づいて、読み出し回路は、相関窓内で受信した一部の電気信号である読み出しＡ及び読み出しＢを選択的にＴｏＦ測定計算において使用することができる一方、相関窓外の他の電気信号である読み出しＡ及び読み出しＢを、環境光源（例えば、太陽）から発生した無相関光子に起因するものとして除外、又は破棄することが可能である。このような時間相関操作により、高環境光条件において、光検出器デバイス２００ａ、２００ｂの信号対バックグラウンド比を増加させることができる。
幾つかの実施形態において、浅溝分離（ＳｒＴＩ）構造を各画素内の２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂ間に設けることができる。ＳｒＴＩ構造を画素の隣接フォトダイオード間に備えたＤＴＩ領域間の複数のフォトダイオードを示す例示的構造が、図３に示されている。
図３は、本発明の幾つかの実施形態に係る、各フォトダイオードがそれぞれの電子回路を介して読み取るためのそれぞれの電気出力を供給する各画素の複数のフォトダイオード間にＳｒＴＩ構造を含む、例示的な光検出器デバイスを示す断面図である。図３に見られるように、光検出器デバイス３００は、半導体層又はセンサウエハ３０１を含む。センサウエハ３０１は、複数の画素のうちの１つの画素を画定する２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂと、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂを隣接画素から分離させる分離領域１１０と、入射光子１０を特定のフォトダイオードではなく画素のそれぞれ内の２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのうちのいずれかへと誘導するように構成された光学構造１１５’とを有する、図２のセンサウエハ２０１と同じ要素又は対応する要素を含む。センサウエハ３０１は、画素の２つのフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂの間に形成された浅溝分離（ＳｒＴＩ）構造３１１も更に備える。ＳｒＴＩ構造３１１は、各画素の境界でＤＴＩ領域１１０よりも浅くなっている。すなわち、それぞれのＤＴＩ領域１１０は、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂから離れるように、ＳｒＴＩ構造３１１を超え（すなわち、ＳｒＴＩ構造３１１より上位まで又は高く）、（裏面３０１ｂとして図示される）受光面に向かって突き出ている。
図３の例では、各フォトダイオード１０５ａ及び１０５ｂは、それぞれのガードリング構造１０５ｇを備え、それぞれのガードリング構造１０５ｇの間には、ＳｒＴＩ構造３１１がある。ＳｒＴＩ構造３１１は、光検出器デバイス３００によって画定された画素内の（図３において実線矢印で図示される）入射光子１０の光路長の増加を許容するのに十分であるが、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂの一方における（図３において点線矢印で図示される）ホットエレクトロン生成二次光子がフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂの他方より上の領域に到達する吸収確率を低減するのに十分な高さ又は深さを有する。例えば、アバランシェが第１のフォトダイオード１０５ａの接合部１０５ｎ／１０５ｐを流れる際、ホットエレクトロンが再結合できるので、このプロセス中に二次「ホットエレクトロン」光子が再放射される。こうしたホットエレクトロン光子は、画素の隣接フォトダイオード１０５ｂに二次的な相関アバランシェを誘発する場合があり、これは望ましくない場合がある。したがって、画素内の複数のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂ全体にわたって信号光子１０が分散できるように、ＳｒＴＩ構造３１１は、ＤＴＩ領域１１０よりは浅いものの、同じＤＴＩ領域１１０間の隣接若しくは近接するフォトダイオード１０５ａ又は１０５ｂより上の領域にホットエレクトロン生成二次光子が到達する確率を低減させて、画素内のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂ間の光学クロストークの確率が低減するのに十分な深さである。
幾つかの実施形態において、ＳｒＴＩ構造３１１は、接合部１０５ｎ／１０５ｐから離れるように、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのそれぞれのガードリング構造１０５ｇを超えて、（裏面３０１ｂとして図示される）受光面に向かって突き出ていてもよく、ＤＴＩ領域１１０は、ＳｒＴＩ構造３１１を超えて突き出ていてもよい。すなわち、ＳｒＴＩ構造３１１はガードリング構造１０５ｇよりも上位すなわち高く、ＤＴＩ領域１１０はＳｒＴＩ構造３１１よりも上位すなわち高い。ＳｒＴＩ構造３１１は、センサウエハ３０１の材料よりも降伏強度が高い絶縁材料で形成可能であり、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂの横方向の配置を、これらの間の電界干渉を抑えてより緊密にすることができる。例えば、センサウエハ３０１は、シリコン（Ｓｉ）原料とすることができ、ＳｒＴＩ構造３１１は、降伏強度がＳｉの約１０倍の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）とすることができる。幾つかの実施形態において、ＳｒＴＩ構造３１１は、ＤＴＩ領域１１０と同じか、又は類似の材料で形成されていてもよい。
図４は、本発明の幾つかの実施形態に係る例示的な光検出器デバイスを示す断面図である。図４で見られるように、光検出器デバイス４００は、読み出しウエハ４０２上にセンサウエハ４０１を備えた積層構造を備える。センサウエハ４０１は、複数の画素のうちの１つの画素を画定する２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂと、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂを隣接画素から分離させる分離領域１１０と、入射光子１０を特定のフォトダイオードではなく画素のそれぞれ内の２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのうちのいずれかへと誘導するように構成された光学構造１１５’と、画素の２つのフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂの間のＳｒＴＩ構造３１１とを有する、図３のセンサウエハ３０１と同じ要素又は対応する要素を含む。
光検出器デバイス４００では、センサウエハ４０１は、読み出しウエハ４０２の表面に接着されている。読み出しウエハ４０２は、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのそれぞれの電気信号出力である読み出しＡ、読み出しＢのためのそれぞれの電気処理経路４９９ａ、４９９ｂを備える。読み出しウエハ４０２のそれぞれの処理経路４９９ａ、４９９ｂは、画素のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂが共有していないそれぞれの電子回路素子を含み得る。具体的には、処理経路４９９ａは、フォトダイオード１０５ａから出力された電気信号である読み出しＡを、下層の読み出しウエハ４０２の（ＭＯＳＦＥＴ Ａとして図示された）トランジスタに供給可能であり、一方、処理経路４９９ｂは、フォトダイオード１０５ｂから出力された電気信号である読み出しＢを、下層の読み出しウエハ４０２の（ＭＯＳＦＥＴ Ｂとして図示された）トランジスタに個別に供給可能である。上述の通り、読み出しウエハ４０２のそれぞれの処理経路４９９ａ、４９９ｂは、アクティブ回路、及び／又はパッシブクエンチング回路、及び／又は再充電回路などの、同じ画素のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂで共有されない追加の回路素子を含み得る。読み出しウエハ４０２は、本明細書に記載のＴｏＦ測定動作を実行するように構成された制御回路、タイミング回路、及び／又は相関回路などの、画素のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂで共有可能な回路素子も更に含み得る。
幾つかの実施形態において、１つ以上の金属層又は構造が、センサウエハとの接触面を提供する読み出しウエハの表面と隣接して配置される。図５は、本発明の幾つかの実施形態に係る例示的な光検出器デバイスを示す断面図である。図５で見られるように、光検出器デバイス５００は、読み出しウエハ５０２上にセンサウエハ５０１を備えた積層構造を備える。センサウエハ５０１は、複数の画素のうちの１つの画素を画定する２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂと、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂを隣接画素から分離させる分離領域１１０と、入射光子１０を特定のフォトダイオードではなく画素のそれぞれ内の２つ以上のフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのうちのいずれかへと誘導するように構成された光学構造１１５’と、画素の２つのフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂの間のＳｒＴＩ構造３１１とを有する、図４のセンサウエハ４０１と同じ要素又は対応する要素を含む。
光検出器デバイス５００では、センサウエハ５０１は、読み出しウエハ５０２の表面に接着されている。読み出しウエハ５０２は、センサウエハ５０１との接触面において読み出しウエハ５０２の表面と隣接する金属層５０８ａ、５０８ｂを備える。図５に示す例示的構造５００で見られるように、光学構造１１５’及びＤＴＩ領域１１０によって形成された画素領域又は「キューブ」は、光検出器デバイス５００の正面５０１ｆにおいて開放しているか、又は比較的遮られておらず、金属層５０８ａ、５０８ｂがフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂと正面５０１ｆとの間に設けられていることで、画素領域は、本質的に光学的に密封される。金属層５０８ａ、５０８ｂは、（例えば、デバイス１０５ａ、１０５ｂにバイアスをかけるためか、又はそこから出力された信号を搬送するために）フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂとの間で電気信号を供給するように構成可能である。
金属層５０８ａ、５０８ｂは、複数の機能を実行するか、又は複数の目的を果たすように構成可能である。電気工学的に言えば、金属層５０８ａ、５０８ｂは、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂのすぐ近くに電荷を蓄積するコンデンサとして機能することができる。例えば、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂは、（ＴｏＦ用途において）タイミング要件がナノ秒（ｎｓ）又はピコ秒（ｐｓ）程度となり得るＳＰＡＤとすることができる。容量がフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂの再充電時間、暗計数率、及び／又はアフタパルスに影響を与える可能性があることにより、金属層５０８ａ、５０８ｂをセンサウエハ５０１との接触面に隣接して（ひいては、それぞれのフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂに近づけて）設けることにより、金属層５０８ａ、５０８ｂによって画定される電荷蓄積ノードとフォトダイオード１０５ａ、１０５ｂの接合部１０５ｎ／１０５ｐとの間のインダクタンスを比較的抑えられ、コンデンサ５０８ａ、５０８ｂをより迅速に充放電することができる。
付加的又は代替的に、金属層５０８ａ、５０８ｂは、相関ＳＰＡＤ画素用のアナログ時間積分器、又はアナログカウンタの一部のコンデンサとして機能するように構成可能である。例えば、読み出しウエハ５０２は、アナログ時間積分器又はアナログカウンタを画定するそれぞれの電子回路素子を含むことができ、金属層５０８ａ、５０８ｂは、アナログ時間積分器又はアナログカウンタの積分コンデンサ又は計数コンデンサを画定できる。
付加的又は代替的に、金属層５０８ａ、５０８ｂは、入射光子の光路長を長くする、すなわち、（図５において実線矢印で示す）光を画素領域に反射させて、検出確率を一層高めるように構成された１つ以上の表面を含み得る。すなわち、金属層５０８ａ、５０８ｂは、フォトダイオード１０５ａ、１０５ｂの下に延在し、光を画素へと反射させるそれぞれの電荷蓄積ノードを提供するように構成された反射面を含み得る。幾つかの実施形態において、金属層５０８ａ、５０８ｂは、金属－絶縁体－金属（ＭｉＭ）構造、又は金属－酸化物－金属（ＭｏＭ）構造として実装可能である。
幾つかの実施形態において、各画素を画定する分離領域１１０のピッチは、光検出器デバイス１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、２００ａ、２００ｂ、３００、４００、５００、又はこれによって画定される光学センサアレイの受光面に沿った様々な方向（例えば、水平方向及び垂直方向）に異なっていてもよい。例えば、分離領域１１０の垂直方向のピッチは、分離領域１１０の水平方向のピッチと異なってもよい。これは、軸全体にわたって非対称であり（例えば、ｘ軸、及びｙ軸に沿って等の光学センサアレイの受光面に沿って異なる方向で）、非球面レンズ等の光学素子を使用せずに、画素構造全体にわたって光子を（場合によっては、略均一に）拡散させる画素構造を提供できる。
幾つかの実施形態において、光検出器デバイス１００ｂ、１００ｃ、２００ｂ、３００、４００、５００の画素構造は、回折素子１１５’と組み合わせて、入射電磁放射１０と相互作用するように配置されたテクスチャ領域１１５も更に含み得る。例えば、テクスチャ領域１１５は、光検出器デバイス１００ｂ、１００ｃ、２００ｂ、３００、４００、５００の正面に隣接し、その上に回折素子１１５’を含む裏面１０１ｂ、２０１ｂ、３０１ｂ、４０１ｂ、５０１ｂの反対側に配置される、ブラックシリコンの層又は領域として提供可能である。このブラックシリコン領域は、反射率を低減させ、各画素のフォトダイオードによる光吸収の波長範囲を拡張するように構成することができる。
より一般的に言うと、本明細書に記載の実施形態では、（ＩＰＡ又は他の回折構造を含む）光学構造を使用して、１つの画素に含まれる複数のフォトダイオード全体にわたる検出を均質化させることができ、ＤＴＩ領域（又は他の分離構造）は、各画素を画定するフォトダイオードのグループを分離させる。ＤＴＩ領域及びＩＰＡは、視野内のどこから光子が来たかに関わらず、隣接するＤＴＩ領域間で画定された画素内の様々なフォトダイオードに光子を送る「光子混合器」を作成するように配置されるか、又は他の方法で構成されている。
本発明の実施形態は、ＴｏＦベースの撮像用途における検出器アレイなどの光学センサアレイに使用することができる。例えば、フラッシュＬＩＤＡＲは、パルス発光アレイを使用して、比較的広い領域にわたって短時間に光を照射して、反射光の検知に基づいて画像を取得し、広い視野の固体撮像を提供することができる。非フラッシュ又はスキャニングＬＩＤＡＲシステムは、例えば、ポイントごとに必要なパワーを照射し、連続スキャンで全ＦｏＶを再構築するポイントスキャン又はラインスキャンを使用して、視野又はシーンにわたって光照射をスキャンすることにより、画像フレームを生成できる。非レンジストロビングＬＩＤＡＲシステムは、対象範囲全体を照射し、対象範囲全体からのエコーを収集することができる。間接ＴｏＦ型（ｉＴｏＦ）ＬＩＤＡＲシステムは、照射信号を参照してエコーの位相オフセットを検出することにより、距離を測定可能であり、直接ＴｏＦ（ｄＴｏＦ）ライダは、光パルスの放射から受信機による検出までの時間を検出することにより、距離を測定する。特定の用途では、ＳＰＡＤ検出器アレイなどのガイガモード単一光子検出器の検出器アレイを使用して、光検出器デバイスによって反射された光を検知することができる。ＳＰＡＤ検出器アレイは、高感度及びタイミング解像度が必要な撮像用途における固体検出器として使用できる。
図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の幾つかの実施形態にかかるライダ用途における例示的なタイム・オブ・フライト測定システム６００ａ及び６００ｂ並びに関連構成要素を示す。図６Ａに見られるように、ライダＴｏＦ回路又はシステム６００ａは、コントローラ又は制御回路６０５と、（照射器素子のアレイ６１５として図示された）照射源のタイミング及び振幅を制御するタイミングジェネレータ又はドライバ回路６１６と、入射光子の光強度に依存しない電気信号を生成するように構成された（例として、ＳＰＡＤアレイとして図示された）検出器素子のアレイ６１０とを備えることができる。照射器アレイ６１５は、コントローラ６０５及び／又はドライバ回路６１６によって制御される時間に、光信号６３０として照射パルスを照射する。反射光信号（エコー信号）６３５の形での照射は、標的６５０から反射され、例えば、本明細書に記載の入射光子１０として、ＳＰＡＤアレイ６１０によって検出又は検知される。コントローラ６０５は、直接又は間接のＴｏＦ測定技術を使用して、照射器アレイ６１５から標的６５０へと、さらに、検出器アレイ６１０に戻るまでの経路にわたって、照射パルス６３０、６３５のタイム・オブ・フライトを測定する画素プロセッサを実装する。
図６Ｂは、本発明の幾つかの実施形態にかかるライダＴｏＦ回路又はシステム６００ｂをより詳細に示す。システム６００ｂは、制御回路６０５と、タイミング回路６０６と、（複数の照射器６１５ｅを含む照射器アレイ６１５として図示された）照射源と、複数の検出器画素６１０ｄを含む検出器アレイ６１０とを備える。照射器アレイ６１５の照射器素子６１５ｅのうちの１つ以上は、タイミングジェネレータ又はドライバ回路６１６によって制御される時間及び反復率で、それぞれ照射パルス又は連続波信号を（例えば、ディフューザ又は光学フィルタ６１４を通じて）照射する照射器ユニットを画定できる。特定の実施形態において、照射器６１５ｅは、（垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、及び／又はエッジ発光レーザなどの）ＬＥＤ又はレーザなどのパルス光源とすることができる。
幾つかの実施形態において、照射器モジュール又は照射器回路は、照射器素子６１５ｅのアレイ６１５と、照射器素子（例えば、（マイクロレンズなどの）レンズ６１３、及び／又はディフューザ６１４）のうちの１つ以上に結合する光学素子６１３、６１４の対応するアレイと、ドライバ回路６１６とを備えることができる。幾つかの実施形態において、照射器アレイ６１５の照射器素子６１５ｅのそれぞれは、それぞれのドライバ回路６１６へと接続されて制御される。他の実施形態において、照射器アレイ６１５における照射器素子６１５ｅのそれぞれのグループ（例えば、互いに空間的に近接した照射器素子６１５ｅ）を、同じドライバ回路６１６へと接続できる。ドライバ回路６１６は、照射器６１５ｅから出力される光照射信号のパルス繰り返し数、タイミング、及び振幅を制御するように構成された１つ以上のドライバトランジスタを含み得る。
幾つかの実施形態において、検出器モジュール又は検出器回路は、検出器画素６１０ｄのアレイ６１０と、受信光学素子６１２（例えば、アレイ６１０のＦｏＶ６９０上で光を収集する１つ以上のレンズ）と、検出器アレイ６１０の全部又は一部に電力を供給し、有効化及び無効化を実行し、そこにタイミング信号を供給するように構成される（タイミング回路６０６を含む）受信電子機器とを備える。受信光学素子６１２は、ライダシステムで撮像できる最大のＦｏＶから集光するように構成されたマクロレンズ、「信号」光（すなわち、照射器から出力される光信号の波長に対応する波長の光）の十分に高い部分を通すが、非信号又は「バックグラウンド」光（すなわち、照射器から出力される光信号とは波長が異なる光）の通過を実質的に拒否又は防止するスペクトルフィルタ６１１、検出画素の集光効率を改善させるマイクロレンズ、及び／又は、迷光の検出を低減若しくは防止するための反射防止コーティングを含み得る。
検出器画素６１０ｄは、タイム・オブ・フライトセンサ（例えば、ガイガモード・アバランシェ・ダイオード（例えば、ＳＰＡＤ）などの単一光子検出器のアレイ）を含む。検出器アレイ６１０は、本明細書に記載の光検出器デバイス１００ａ～１００ｃ、２００ａ～２００ｂ、３００、４００、５００のうちのいずれかを含むことができ、各検出器画素６１０ｄは、入射光子の光強度に依存しない電気信号を生成するように構成された本明細書に記載のフォトダイオード１０５、１０５ａ、１０５ｂの１つ以上を含む。すなわち、検出器アレイ６１０は、本明細書に記載の光検出器デバイス１００ａ～１００ｃ、２００ａ～２００ｂ、３００、４００、５００に相当する画素構造の任意の組み合わせを含み得る。
タイミング回路６０６は、検出器アレイ６１０のタイミング、及び利得／感度を制御することができる。幾つかの実施形態では、検出器アレイ６１０のタイミング回路６０６を、照射器アレイ６１５のドライバ回路６１６へと位相ロック可能である。また、タイミング回路６０６は、検出器画素６１０ｄのそれぞれ、検出器画素のグループ、又は各検出器画素６１０ｄのそれぞれのフォトダイオードの感度を制御することができる。例えば、検出器画素６１０ｄが逆バイアス・ガイガモード・フォトダイオードを含む場合、（例えば、本明細書に記載の電極１０７ｎ、１０７ｐの電圧差に基づいて）各フォトダイオードに印加される逆バイアスを調整可能であり、これにより、過剰バイアスが大きいほど感度が上がる。検出器画素６１０ｄは、少なくともナノ秒精度でアクティブ化又は非アクティブ化することができ、検出器画素６１０ｄのフォトダイオードは、個別にアドレス指定可能、グループでアドレス指定可能、及び／又は大域的にアドレス指定可能である。
図６Ｂで見られるように、照射器６１５ｅのうちの１つ以上から出力された光は、１つ以上の標的６５０に衝突して反射されて、この反射光は、検出器画素６１０ｄのうちの１つ以上によりエコー信号として検出され、（本明細書において検出信号と称される）電気信号表記へと変換され、視野６９０内のシーンの３Ｄ点群表記６７０を画定するように、（例えば、タイム・オブ・フライトに基づいて）処理される。本明細書に記載の本発明の実施形態に係るＬＩＤＡＲシステムの操作は、図６Ａ及び図６Ｂの制御回路６０５などの１つ以上のプロセッサ又はコントローラによって実行可能である。
本明細書に記載の本発明の実施形態は、高量子効率ガイガモード・アバランシェ・ダイオード及びその光学センサアレイを提供する。また、本発明の実施形態は、画素の視野をより均一にサンプリングするために、同一画素内に複数のフォトダイオードを含む感度増強光子混合型イメージセンサ画素を対象とする。本来、画素アレイの表面を占有して、利用可能な画素領域が縮小する場合があるフォトダイオード間の分離領域（例えば、ＤＴＩ領域）を減らし又は無くすことで、センサアレイの「フィルファクタ」を増加させることができる。画素内の複数のフォトダイオードのうちのいずれかに入射光子を導くために、本明細書に記載のテクスチャ領域及び／又は他の光学構造を、光学センサアレイ内又はその上に配置できる。実施形態によっては、分離領域間で同じ角度の空間をサンプリングする複数のフォトダイオードが画素ごとにある複合画素構造を使用することで、空間解像度が損なわれる場合がある。本発明の実施形態には以下のものが含まれるがこれらに限定されない。
幾つかの実施形態において、例えば、光電子デバイスは、入射光表面を有する半導体材料を含められるガイガモード・アバランシェ・フォトダイオードと、半導体材料中に半導体接合部（例えば、ｐ－ｎ接合部）を形成する第１の領域及び第２の領域（例えば、ドープ領域）と、アバランシェプロセスを制御するガードリング構造と、半導体材料に結合し、電磁放射と相互作用するように配置されたテクスチャ領域とを備えることができる。この光電子デバイスは、入射光強度、例えば、約８００ナノメートル（ｎｍ）～約１２００ｎｍの範囲の少なくとも１つの波長を有する電磁放射に依存しない二元応答性を有する。
幾つかの実施形態において、テクスチャ領域は、シリコン（又は、他の半導体）材料の入射光面と同じ側に配置される。幾つかの実施形態では、テクスチャ領域は、シリコン（又は、他の半導体）材料の入射光面と反対側の面に配置されている。
幾つかの実施形態において、シリコン（又は、他の半導体）材料は、厚さが約１マイクロメートル（μｍ）～約１００μｍであり得る。幾つかの実施形態では、半導体接合部は、表面積が約０．１μｍ２～約１０００μｍ２であり得る。
幾つかの実施形態では、接合部が逆バイアスされた際に形成される電場が十分均一となるような構造（例えば、ガードリング構造）によって、光電子デバイスを囲んでも良い。したがって、アバランシェ降伏時に、アバランシェ電流の大部分又は本質的に全てが、接合部の縁部又は隅部ではなく、接合部の平面の領域内を流れられる。
幾つかの実施形態において、光電子デバイスは、第１の接点及び第２の接点を含み得る。第１の接点及び第２の接点は、フォトダイオード用のアノード及びカソードの接点を画定できる。第１の接点及び第２の接点間の電圧差を、接合部の降伏電圧よりも低い（例えば、僅かに低い）第１の電圧と、降伏電圧よりも高い（例えば、アバランシェ動作用に十分に高い）第２の電圧との間で切り換えることができる。幾つかの実施形態において、逆バイアス電圧を第１の接点及び第２の接点の両端に印加する。例えば、逆バイアスは、約１０Ｖ～約２００Ｖとすることができる。
幾つかの実施形態において、アノード若しくはカソード、又はアノード及びカソードの双方を、クエンチング回路及び／又は再充電回路へと電気的に接続できる。クエンチング操作はアクティブ又はパッシブであり得る。再充電操作はアクティブ又はパッシブであり得る。
幾つかの実施形態において、隣接するフォトダイオードの間に障壁又は分離領域を形成可能である。障壁は、一般性を損なわずに、トレンチ、不動態化トレンチ、充填トレンチ、充填不動態化トレンチ、ウエハ表面（例えば、シリコン材料のウエハ）上の電極で画定される電場、ウエハの裏面の電極によって画定される電場、トレンチ上、又はトレンチ内の電極で画定される電場、及び帯電シリコン貫通電極によって画定される電場の形で提供可能である。
幾つかの実施形態において、フォトダイオードアレイは、入射光表面を有するシリコン材料と、シリコン材料の半導体接合部で形成され、フォトダイオードアレイのそれぞれの画素を画定する１つのフォトダイオードと、シリコン材料に結合し、電磁放射と相互作用するように配置されたテクスチャ領域とを備えることができる。フォトダイオードアレイ（又はその一部）の半導体接合部は、約８００ｎｍ～約１２００ｎｍの範囲の少なくとも１つの波長を有する十分に瞬時性のある光子群が接合部のそれぞれに衝突すると、それぞれの半導体接合部が十分に瞬時性のある光子群の光強度に依存しない電気信号を生成するように、降伏電圧を超えてバイアスされるよう構成される。
幾つかの実施形態において、フォトダイオードアレイは、入射光表面を有するシリコン材料と、シリコン材料のフォトダイオードアレイの画素を画定する少なくとも２つのフォトダイオードであって、各フォトダイオードがそれぞれの半導体接合部を含む、少なくとも２つのフォトダイオードと、シリコン材料に結合し、電磁放射と相互作用するように配置されたテクスチャ領域とを備えることができる。フォトダイオードアレイ（又はその一部）の半導体接合部は、約８００ｎｍ～約１２００ｎｍの範囲の少なくとも１つの波長を有する十分に瞬時性のある光子群が接合部のそれぞれに衝突すると、それぞれの半導体接合部が十分に瞬時性のある光子群の光強度に依存しない電気信号を生成するように、降伏電圧を超えてバイアスされるよう構成される。
幾つかの実施形態において、シリコン材料は、厚さが約１μｍ～約１００μｍであり得る。幾つかの実施形態では、フォトダイオードアレイの各画素は、四元アレイを形成する４つのフォトダイオードを含み得る。幾つかの実施形態において、四元アレイの４つのフォトダイオードは、選択的に単一波長範囲を検出できる。
幾つかの実施形態において、フォトダイオードアレイは、ＳＰＡＤデバイスを含むシリコンウエハが、シリコン材料に結合して、電磁放射と相互作用するように配置されたテクスチャ領域も更に含む、引用することにより本明細書の一部をなすものとする米国特許出願公開第２０１９／０２５０２５７号に記載のアレイ及びシステムを備えることができる。幾つかの実施形態では、ＳＰＡＤデバイスを備えるウエハは裏面照射型とすることができる。幾つかの実施形態において、ＳＰＡＤデバイスを備えるウエハは、（例えば、ウエハには非ＳＰＡＤデバイスが無くてもよい）ＳＰＡＤデバイスのみを含んでいてもよく、ＳＰＡＤデバイスを備えるウエハを更に、ＬＩＤＡＲシステムの動作用に構成された回路を含む第２のウエハへと結合、及び／又は電気的に相互接続できる。
本明細書では、実施形態例を示す添付図面を参照して、様々な実施形態について説明した。しかしながら、これらの実施形態は、異なる形態で具現化することができ、本明細書に示す実施形態に限定するものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が網羅的かつ完全であり、当業者に本発明の概念を十分に伝えるように提供される。本明細書に記載した実施形態例並びに全体的な原理及び特徴に対する様々な変更形態が容易に明らかとなるであろう。図面において、層及び領域のサイズ及び相対サイズは、正確な尺度では示されておらず、場合によっては明確にするために誇張されている可能性がある。同様の参照符号は全体を通して同様の要素を指す場合がある。
実施形態例は、主に、特定の実施態様において提供された特定の方法及びデバイスに関して記載されている。しかしながら、それらの方法及びデバイスは、他の実施態様で有効に動作することができる。「幾つかの実施形態」、「１つの実施形態」及び「別の実施形態」などの表現は、同じ実施形態又は異なる実施形態とともに複数の実施形態を指す場合がある。実施形態では、或る特定の構成要素を有するシステム及び／又はデバイスについて説明してきた。しかしながら、そうしたシステム及び／又はデバイスは、提示したものより少ないか又は追加の構成要素を含むことができ、本発明の概念の範囲から逸脱することなく、それらの構成要素の配置及びタイプの変形形態を作成することができる。実施形態例では、或る特定のステップ又は動作を有する特定の方法についても記載してきた。しかしながら、そうした方法及びデバイスは、異なる及び／又は追加のステップ／動作、並びに、実施形態例と矛盾しない異なる順序でのステップ／動作を有する、他の方法に対しても有効に動作することができる。したがって、本発明の概念は、示した実施形態に限定されるようには意図されておらず、本明細書に記載した原理及び特徴と一貫する最も広い範囲が与えられるべきである。
要素が別の要素に「上」、「接続される」又は「結合される」と言うとき、その要素はその別の要素の直接上にあるか、直接接続されるか、若しくは直接結合されることができるか、又は介在する要素が存在する場合があることも理解されるであろう。対照的に、要素が別の要素に「直接上にある」、「直接接続される」又は「直接結合される」と言う場合には、介在する要素は存在しない。
本明細書では、第１や第２などの用語を用いて様々な要素について記載している場合があるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないことが理解されるであろう。これらの用語は、或る要素を別の要素と区別するためにのみ用いられる。例えば、本発明の範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。
さらに、図面に示されるような或る要素の別の要素に対する関係を説明するために、本明細書において「下側」又は「底部」及び「上側」又は「上部」のような相対語が用いられる場合がある。相対語は、図面に示される向きに加えて、デバイスの種々の向きを包含することが意図されていることは理解されるであろう。例えば、図のうちの１つにおいてデバイスが裏返しにされている場合には、他の要素の「下側」にあると説明される要素は、これらの他の要素の「上側」に向けられることになる。それゆえ、例示的な用語「下側」は、図の特定の向きに応じて、「下側」及び「上側」の両方の向きを包含することができる。同様に、図のうちの１つにおいてデバイスが裏返しにされている場合には、他の要素の「下方」又は「真下」にあると説明される要素は、これらの他の要素の「上方」に向けられることになる。それゆえ、例示的な用語「下方」又「真下」は、上方及び下方の両方の向きを包含することができる。
本明細書における本発明の説明に用いられる術語は、特定の実施形態を説明することを目的としたものにすぎず、本発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明及び添付の特許請求の範囲において使用されるように、単数形「一（"a", "an"）」及び「その（"the"）」は、文脈上明確にそうでないことが示されていない限り、単数だけでなく複数のものを含むことが意図されている。
本明細書において用いられる用語「及び／又は」は、関連した列挙項目の１つ以上のもののありとあらゆる可能な組み合わせを指し、それらの組み合わせを包含することも理解されるであろう。用語「含む」及び／又は「備える」は、本明細書において用いられるとき、記載された特徴、完全体、ステップ、動作、要素／素子、及び／又は構成要素／成分の存在を明記するものであるが、１つ以上の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素／素子、構成要素／成分、及び／又はそれらの群の存在も追加も排除するものでないことが更に理解されるであろう。
本明細書では、本発明の理想化された実施形態（及び中間の構造体）の概略図である図を参照して、本発明の実施形態について説明している。したがって、例えば製造技法及び／又は公差の結果としての図の形状からの変動が予期される。したがって、図に示す領域は本質的には概略的であり、それらの形状は、デバイスの領域の実際の形状を示すようには意図されておらず、本発明の範囲を限定するようには意図されていない。
別段の定めがない限り、科学技術用語を含む、本発明の実施形態を開示する際に用いられる全ての用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有し、本発明が記述される時点において知られている特定の定義に必ずしも限定されない。したがって、これらの用語は、その時点の後に作成された同義語を含むことができる。一般的に用いられる辞書において定義されるような用語は、本明細書において及び関連技術の文脈においてそれらの用語が意味するのと一致する意味を有するように解釈されるべきであり、本明細書において明らかに定義されない限り、理想的な又はあまりにも形式張った意味に解釈されないことは更に理解されるであろう。言及される全ての特許及び／又は刊行物は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
本明細書において、上記の説明及び図面に関連して多くの異なる実施形態を記載してきた。これらの実施形態の全ての組み合わせ及び部分的組み合わせをそのまま説明し示すことは、過度に繰り返しが多くわかりにくいものとなることが理解されるであろう。したがって、図面を含む本明細書は、本明細書において説明される本発明の実施形態並びにそれらを作成し用いる方式及びプロセスの全ての組み合わせ及び部分的組み合わせの完全な明細書を構成すると解釈されるものとし、任意のそのような組み合わせ又は部分的組み合わせについて特許請求の範囲をサポートするものとする。
本明細書において本発明を様々な実施形態に関して説明してきたが、本発明の原理の範囲及び趣旨内で更なる変形及び変更を行うことができることが理解されるであろう。具体的な用語が採用されているが、それらは、一般的であり説明的な意味でのみ使用され、限定を目的とするものではない。

Claims (26)

  1. 半導体材料層と、
    前記半導体材料層中の少なくとも１つのフォトダイオードであって、該フォトダイオードの降伏電圧を超えてバイアスされて、入射光子の検出に応答するそれぞれの電気信号を生成するように構成されており、該それぞれの電気信号は前記入射光子の光強度に依存しないものである、少なくとも１つのフォトダイオードと、
    前記半導体材料層に結合しており、前記少なくとも１つのフォトダイオードによる前記入射光子の検出の際に、前記入射光子と相互作用するように配置された光学構造を含むテクスチャ領域と
    を備えてなる光検出器デバイス。
  2. 前記少なくとも１つのフォトダイオードは、前記光検出器デバイスの画素を画定する２つ以上のフォトダイオードを含み、前記光学構造は、前記画素の前記２つ以上のフォトダイオードのうちのいずれかに前記入射光子を誘導することで検出するように構成されている、請求項１に記載の光検出器デバイス。
  3. 前記光検出器デバイスの隣接画素から前記画素を分離するそれぞれの分離領域を更に含み、前記画素には、該画素の前記２つ以上のフォトダイオード間に前記それぞれの分離領域が存在しないものである、請求項２に記載の光検出器デバイス。
  4. 前記それぞれの分離領域は、それぞれの深溝分離（ＤＴＩ）領域を含み、
    前記光検出器デバイスは、前記画素の前記２つ以上のフォトダイオード間の浅溝分離（ＳｒＴＩ）構造を更に含み、前記それぞれのＤＴＩ領域は、前記ＳｒＴＩ構造を超えて前記２つ以上のフォトダイオードから離れるように突き出している、請求項３に記載の光検出器デバイス。
  5. 前記２つ以上のフォトダイオードのうちのいずれかによる前記入射光子の前記検出に応答して、該２つ以上のフォトダイオードのうちの前記いずれかにより生成された前記それぞれの電気信号は、前記画素の該２つ以上のフォトダイオードによって共有されていないそれぞれの電子回路素子を含むそれぞれの処理経路に出力されるよう構成されている、請求項３に記載の光検出器デバイス。
  6. 前記それぞれの電子回路素子を有する読み出しウエハを更に含み、前記半導体材料層は、前記読み出しウエハの表面上に積層されている、請求項５に記載の光検出器デバイス。
  7. 前記それぞれの電子回路素子は、それぞれのクエンチング回路及び／又は再充電回路を含む、請求項６に記載の光検出器デバイス。
  8. 前記読み出しウエハの前記表面と隣接する前記読み出しウエハ内の金属層構造を更に含み、該金属層構造は、前記２つ以上のフォトダイオードの下に延在しており、該フォトダイオードとの間で電気信号を供給するように構成されている、請求項６に記載の光検出器デバイス。
  9. 前記それぞれの電子回路素子は、アナログ時間積分器又はアナログカウンタを含み、前記金属層構造は、該アナログ時間積分器又は該アナログカウンタの積分コンデンサ又は計数コンデンサを含む、請求項８に記載の光検出器デバイス。
  10. 前記光学構造は、前記２つ以上のフォトダイオードのうちの前記いずれかによる前記検出の前に、前記画素の前記２つ以上のフォトダイオードのうちの１つから前記入射光子を遠ざけるように構成されている、請求項２～９のいずれか一項に記載の光検出器デバイス。
  11. 前記光学構造は、前記入射光子の波長よりも短い１つ以上の寸法をそれぞれ含む回折素子であり、任意選択的に、該回折素子は逆ピラミッドアレイ（ＩＰＡ）構造を含む、請求項１０に記載の光検出器デバイス。
  12. 前記画素内の前記２つ以上のフォトダイオードのうちの少なくとも１つは、互いに独立して無効化されるように構成されている、請求項２に記載の光検出器デバイス。
  13. 前記光検出器デバイスの隣接画素から前記画素を分離する溝分離領域と、
    前記画素の前記２つ以上のフォトダイオードのうちの前記少なくとも１つへと、該フォトダイオード間の電圧差に基づいて逆バイアスを印加するように構成された第１の電極及び第２の電極であって、前記電圧差は、前記降伏電圧よりも大きい第１の電圧と、前記降伏電圧よりも小さい第２の電圧との間で切り替えることができるものである、第１の電極及び第２の電極と
    を更に備える、請求項１２に記載の光検出器デバイス。
  14. 前記少なくとも１つのフォトダイオードは、実質的に平面の領域を有するそれぞれの半導体接合部と該半導体接合部の縁部におけるガードリング構造とを有する、少なくとも１つの単一光子アバランシェ検出器（ＳＰＡＤ）を含む、請求項１～１３のいずれか一項に記載の光検出器デバイス。
  15. 前記光検出器デバイスは、前記少なくとも１つのフォトダイオードを該フォトダイオードの複数の画素間で有する光学センサアレイを備え、該光学センサアレイは光検出測距（ＬＩＤＡＲ）検出器アレイであり、前記入射光子の源はＬＩＤＡＲ照射器アレイである、請求項１～１４のいずれか一項に記載の光検出器デバイス。
  16. 複数の画素であって、該画素のそれぞれは、入射光子に応答するそれぞれの電気信号を生成するように構成された２つ以上のフォトダイオードを含み、該それぞれの電気信号は前記入射光子の光強度に依存しないものである、複数の画素と、
    前記画素の隣接画素を分離するそれぞれの分離領域と、
    前記それぞれの分離領域間に配置され、前記画素のそれぞれの前記２つ以上のフォトダイオードのうちのいずれかに前記入射光子を誘導するように構成されている光学構造と
    を備えてなる、光学センサアレイ。
  17. 前記画素には、前記画素の前記２つ以上のフォトダイオード間に前記それぞれの分離領域が存在せず、前記光学構造は、前記２つ以上のフォトダイオードのうちの前記いずれかによる検出の前に、前記画素のそれぞれの前記２つ以上のフォトダイオードのうちの１つから前記入射光子を遠ざけるように構成される、請求項１６に記載の光学センサアレイ。
  18. 前記それぞれの分離領域は、それぞれの深溝分離（ＤＴＩ）領域を含み、
    前記光学センサアレイは、前記画素の前記２つ以上のフォトダイオード間の浅溝分離（ＳｒＴＩ）構造を更に含み、前記それぞれのＤＴＩ領域は、前記ＳｒＴＩ構造を超えて２つ以上のフォトダイオードから離れるように突き出している、請求項１７に記載の光学センサアレイ。
  19. 前記光学構造は、前記入射光子の波長よりも短い１つ以上の寸法をそれぞれ含む回折素子であり、該回折素子は、前記光学センサアレイの表面と前記２つ以上のフォトダイオードのうちの前記１つとの間の距離よりも長い光路長で、前記画素のそれぞれの前記２つ以上のフォトダイオードのうちの前記いずれかに前記入射光子を誘導するように構成される、請求項１７に記載の光学センサアレイ。
  20. 前記２つ以上のフォトダイオードは、実質的に平面の領域を有する半導体接合部と、該半導体接合部の縁部におけるガードリング構造とをそれぞれ含み、該半導体接合部は、該半導体接合部の降伏電圧を超えてバイアスされて、前記入射光子に応答する前記それぞれの電気信号を生成するように構成されている、請求項１６に記載の光学センサアレイ。
  21. 前記２つ以上のフォトダイオードのうちの前記いずれかによる前記入射光子の検出に応答して、前記２つ以上のフォトダイオードのうちの前記いずれかにより生成された前記それぞれの電気信号は、前記画素のそれぞれの前記２つ以上のフォトダイオードによって共有されていないそれぞれの電子回路素子を含むそれぞれの処理経路に出力されるよう構成されている、請求項２０に記載の光学センサアレイ。
  22. 前記画素、前記それぞれの分離領域、及び前記光学構造は、第１の半導体層内又は第１の半導体層上に提供され、
    前記光学センサアレイは、前記それぞれの電子回路素子を有する第２の半導体層を更に含み、前記第１の半導体層は前記第２の半導体層の表面に結合されている、請求項２１に記載の光学センサアレイ。
  23. 前記第２の半導体層は、前記画素のそれぞれの前記２つ以上のフォトダイオードによって生成された前記それぞれの電気信号を受信し、該それぞれの電気信号によって示されるそれぞれの到来時間の間に時間相関を実行するように構成されたコントローラを更に含む、請求項２２に記載の光学センサアレイ。
  24. 前記光学センサアレイは光検出測距（ＬＩＤＡＲ）検出器アレイであり、前記入射光子の源はフラッシュＬＩＤＡＲ照射器アレイである、請求項１６～２１のいずれか一項に記載の光学センサアレイ。
  25. 前記光学センサアレイは光検出測距（ＬＩＤＡＲ）検出器アレイであり、前記入射光子の源はスキャニングＬＩＤＡＲ照射器アレイである、請求項１６～２１のいずれか一項に記載の光学センサアレイ。
  26. 厚さが１μｍ～１００μｍの半導体材料層と、
    前記半導体材料層の複数の画素であって、該画素はそれぞれ少なくとも１つのフォトダイオードを含み、該フォトダイオードは、実質的に平面の領域を有する半導体接合部と該半導体接合部の縁部におけるガードリング構造とによって画定され、前記フォトダイオードに印加された逆バイアスが前記フォトダイオードの降伏電圧を超えた際、波長が８００～１２００ナノメートルの入射光子に応答する電気信号を生成するように構成され、該電気信号は前記入射光子の光強度に依存しないものである、複数の画素と、
    前記画素の隣接画素を分離するそれぞれの深溝分離領域と、
    該それぞれの深溝分離領域に隣接する前記画素のそれぞれにおける第１の接点及び第２の接点であって、前記半導体接合部間の電圧差に基づいて該半導体接合部に逆バイアスを印加するように構成されている、第１の接点及び第２の接点と、
    前記画素と前記入射光子の源との間に配置された回折光学素子と
    を備えてなる、光検出測距（ＬＩＤＡＲ）検出器アレイ。
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Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11830954B2 (en) * 2013-05-22 2023-11-28 W&wsens Devices Inc. Microstructure enhanced absorption photosensitive devices
US11978754B2 (en) 2018-02-13 2024-05-07 Sense Photonics, Inc. High quantum efficiency Geiger-mode avalanche diodes including high sensitivity photon mixing structures and arrays thereof
EP3732501A4 (en) * 2018-02-13 2021-08-25 Sense Photonics, Inc. PROCESSES AND SYSTEMS FOR HIGH-RESOLUTION FLASH LIDAR WITH LARGE RANGE
WO2020158322A1 (ja) * 2019-02-01 2020-08-06 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 受光素子、固体撮像装置及び測距装置
JPWO2021009979A1 (ja) * 2019-07-12 2021-01-21
US11201124B2 (en) * 2019-07-29 2021-12-14 Omnivision Technologies, Inc. Semiconductor devices, semiconductor wafers, and methods of manufacturing the same
JP2021150359A (ja) * 2020-03-17 2021-09-27 株式会社東芝 光検出素子、光検出システム、ライダー装置、および移動体
CN113764443B (zh) * 2020-06-05 2024-01-02 联华电子股份有限公司 感光元件
CN111769126B (zh) * 2020-06-16 2024-06-07 Oppo广东移动通信有限公司 感光像素模块、图像传感器及电子设备
FR3114190B1 (fr) * 2020-09-11 2022-10-14 St Microelectronics Res & Dev Ltd Pixel à efficacité quantique améliorée
CN116964746A (zh) * 2021-02-07 2023-10-27 皇家飞利浦有限公司 具有近红外（nir）光子检测效率改善的单光子雪崩二极管（spad）的装置
US11705360B2 (en) * 2021-03-10 2023-07-18 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Image sensor with dual trench isolation structure
EP4337991A1 (en) * 2021-05-14 2024-03-20 Motional AD LLC Silicon photomultiplier based lidar
WO2022256923A1 (en) * 2021-06-09 2022-12-15 Socpra Sciences Et Genie S.E.C. Opto-electrical insulated frontside illuminated 3d digital silicon photomultiplier
CN114325640B (zh) * 2021-11-18 2022-11-04 杭州宏景智驾科技有限公司 一种激光雷达接收装置及激光雷达
US11967664B2 (en) * 2022-04-20 2024-04-23 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Photodiodes with serpentine shaped electrical junction
CN115528048B (zh) * 2022-09-15 2023-05-23 武汉北极芯微电子有限公司 感光像素单元、感光像素模块以及光电探测器
US20240192375A1 (en) 2022-12-08 2024-06-13 Ouster, Inc. Guided flash lidar
CN116344556B (zh) * 2023-05-29 2023-08-11 苏州法夏科技有限公司 一种用于近红外光子探测的光电倍增管探测器

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8816443B2 (en) 2001-10-12 2014-08-26 Quantum Semiconductor Llc Method of fabricating heterojunction photodiodes with CMOS
WO2010028177A1 (en) 2008-09-03 2010-03-11 Sionyx, Inc. High sensitivity photodetectors, imaging arrays, and high efficiency photovoltaic devices produced using ion implantation and femtosecond laser irradiation
IT1392366B1 (it) * 2008-12-17 2012-02-28 St Microelectronics Rousset Fotodiodo operante in modalita' geiger con resistore di soppressione integrato e controllabile, schiera di fotodiodi e relativo procedimento di fabbricazione
WO2011160130A2 (en) 2010-06-18 2011-12-22 Sionyx, Inc High speed photosensitive devices and associated methods
GB201014843D0 (en) 2010-09-08 2010-10-20 Univ Edinburgh Single photon avalanche diode for CMOS circuits
KR102034482B1 (ko) 2013-03-04 2019-10-21 삼성전자주식회사 이미지 센서 및 이의 형성 방법
US9160949B2 (en) 2013-04-01 2015-10-13 Omnivision Technologies, Inc. Enhanced photon detection device with biased deep trench isolation
WO2015157341A1 (en) * 2014-04-07 2015-10-15 Samsung Electronics Co., Ltd. High resolution, high frame rate, low power image sensor
WO2015191594A1 (en) * 2014-06-10 2015-12-17 Hui Tian Layout and operation of pixels for image sensors
KR102286109B1 (ko) 2014-08-05 2021-08-04 삼성전자주식회사 이미지 픽셀, 이를 포함하는 이미지 센서, 및 이를 포함하는 이미지 처리 시스템
DE102016114432A1 (de) * 2016-08-04 2018-02-08 Sick Ag Optoelektronischer Sensor und Verfahren zur Erfassung eines Objekts
EP3732501A4 (en) 2018-02-13 2021-08-25 Sense Photonics, Inc. PROCESSES AND SYSTEMS FOR HIGH-RESOLUTION FLASH LIDAR WITH LARGE RANGE

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