JP2023077741A - Photoelectric conversion device - Google Patents

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宏之 土屋
Hiroyuki Tsuchiya
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Abstract

To provide a photoelectric conversion device having achieved reduction of a dark current noise and enhancement of sensibility.SOLUTION: A photoelectric conversion device includes: a substrate having a first surface and a second surface; an insulation layer arranged on the first surface side; and photoelectric conversion parts that are arranged in the substrate, and generates electric charge in accordance with an incident light coming passing through the insulation layer. The insulation layer includes a structure in which first insulators and second insulators are alternately arranged in a direction parallel to the insulation layer. A plurality of the first insulators and the second insulators are arranged in the direction parallel to the insulation layer in a region where the incident light passed through the insulation layer can be entered into one photoelectric conversion part. A material constituting the second insulator and a material constituting the first insulator are different.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、光電変換装置に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion device.

特許文献1には、固体撮像装置において、入射光に対する感度を向上するために、フォトダイオードが形成される半導体層の受光面側の界面に微小な凹凸構造を設ける構造が開示されている。 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-200000 discloses a structure in which a fine uneven structure is provided at the interface of a semiconductor layer on which a photodiode is formed on the light receiving surface side in order to improve the sensitivity to incident light in a solid-state imaging device.

特開2020-174158号公報JP 2020-174158 A

特許文献1の構造の光電変換領域の半導体層においては、界面及びその近傍にある欠陥準位により、暗電流ノイズが増加することがあり得る。 In the semiconductor layer of the photoelectric conversion region having the structure of Patent Document 1, dark current noise may increase due to defect levels at and near the interface.

本発明は、暗電流ノイズの低減及び感度の向上が実現された光電変換装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device that achieves reduction in dark current noise and improvement in sensitivity.

本発明の一観点によれば、第1面及び第2面を有する基板と、前記第1面側に配された絶縁層と、前記基板内に配され、前記絶縁層を通過して入射された入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、を有し、前記絶縁層は、前記絶縁層に平行な方向において、第1絶縁体と第2絶縁体とが交互に繰り返される構造を有しており、前記第1絶縁体及び前記第2絶縁体は、前記絶縁層を通過した前記入射光が1つの前記光電変換部に入射され得る領域において、前記絶縁層に平行な方向に複数組配されており、前記第2絶縁体を構成する材料と、前記第1絶縁体を構成する材料が異なることを特徴とする光電変換装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a substrate having a first surface and a second surface, an insulating layer arranged on the side of the first surface, and an insulating layer arranged in the substrate and incident through the insulating layer and a photoelectric conversion unit that generates electric charge according to incident light, and the insulating layer has a structure in which first insulators and second insulators are alternately repeated in a direction parallel to the insulating layer. and the first insulator and the second insulator are arranged in a plurality in a direction parallel to the insulating layer in a region where the incident light passing through the insulating layer can be incident on one photoelectric conversion unit. The photoelectric conversion device is provided, wherein the material forming the second insulator and the material forming the first insulator are different.

本発明によれば、暗電流ノイズの低減及び感度の向上が実現された光電変換装置が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photoelectric conversion apparatus with which the reduction of a dark current noise and the improvement of the sensitivity were implement|achieved is provided.

第1実施形態に係る光電変換装置の全体構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a photoelectric conversion device according to a first embodiment; FIG. 第1実施形態に係るセンサ基板の構成例を示す概略ブロック図である。2 is a schematic block diagram showing a configuration example of a sensor substrate according to the first embodiment; FIG. 第1実施形態に係る回路基板の構成例を示す概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram showing a configuration example of a circuit board according to a first embodiment; FIG. 第1実施形態に係る光電変換部及び画素信号処理部の1画素分の構成例を示す概略ブロック図である。3 is a schematic block diagram showing a configuration example for one pixel of a photoelectric conversion unit and a pixel signal processing unit according to the first embodiment; FIG. 第1実施形態に係るアバランシェフォトダイオードの動作を説明する図である。4A and 4B are diagrams for explaining the operation of the avalanche photodiode according to the first embodiment; FIG. 第1実施形態に係るアバランシェフォトダイオードの構造を示す図である。1 is a diagram showing the structure of an avalanche photodiode according to a first embodiment; FIG. 第1実施形態に係るトレンチ構造を拡大して示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which expands and shows the trench structure which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るアバランシェフォトダイオードの平面模式図である。1 is a schematic plan view of an avalanche photodiode according to a first embodiment; FIG. 第2実施形態に係るアバランシェフォトダイオードの構造を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the structure of an avalanche photodiode according to a second embodiment; 第3実施形態に係るアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of an avalanche photodiode according to a third embodiment. 第4実施形態に係るアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of an avalanche photodiode according to a fourth embodiment. 第5実施形態に係るアバランシェフォトダイオードの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the avalanche photodiode based on 5th Embodiment. 第6実施形態に係る光検出システムのブロック図である。FIG. 12 is a block diagram of a photodetection system according to a sixth embodiment; 第7実施形態に係る光検出システムのブロック図である。FIG. 11 is a block diagram of a photodetection system according to a seventh embodiment; 第8実施形態に係る内視鏡手術システムの概略図である。FIG. 21 is a schematic diagram of an endoscopic surgery system according to an eighth embodiment; 第9実施形態に係る光検出システムの概略図である。FIG. 12 is a schematic diagram of a photodetection system according to a ninth embodiment; 第9実施形態に係る移動体の概略図である。FIG. 21 is a schematic diagram of a moving body according to a ninth embodiment; 第9実施形態に係る光検出システムの動作を表すフローチャートである。FIG. 14 is a flow chart showing the operation of the photodetection system according to the ninth embodiment; FIG. 第10実施形態に係る電子機器の具体例を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing a specific example of an electronic device according to the tenth embodiment;

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。以下に示す実施形態は、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及び位置関係は、説明を明確にするために誇張されていることがある。複数の図面にわたって同一の要素又は対応する要素には共通の符号が付されており、その説明は省略又は簡略化されることがある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The embodiments shown below are for embodying the technical idea of the present invention, and are not intended to limit the present invention. The sizes and positional relationships of members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. The same or corresponding elements are denoted by common reference numerals across multiple drawings, and their description may be omitted or simplified.

以下の説明では、必要に応じて特定の方向又は位置を示す用語(例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及び、それらの用語を含む別の用語)が用いられる。それらの用語の使用は図面を参照した実施形態の理解を容易にするためのものであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。 In the following description, terms indicating specific directions or positions (eg, "upper", "lower", "right", "left", and other terms containing those terms) are used where appropriate. The use of these terms is for the purpose of facilitating the understanding of the embodiments with reference to the drawings, and the technical scope of the present invention is not limited by the meanings of these terms.

[第1実施形態]
図1は、本実施形態に係る光電変換装置100の全体構成を示す概略図である。光電変換装置100は、例えば、固体撮像装置、焦点検出装置、測距装置、TOF(Time-Of-Flight)カメラ等であり得る。光電変換装置100は、互いに積層されたセンサ基板11(第1基板)と、回路基板21(第2基板)とを有する。センサ基板11と回路基板21とは、電気的に相互に接続されている。センサ基板11は、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素101が配された画素領域12を有している。回路基板21は、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素信号処理部103が配された第1回路領域22と、第1回路領域22の外周に配された第2回路領域23とを有している。第2回路領域23は、複数の画素信号処理部103を制御する回路等を含み得る。センサ基板11は、入射光を受ける光入射面と、光入射面に対向する接続面とを有している。センサ基板11は、接続面側において回路基板21と接続されている。すなわち、光電変換装置100は、いわゆる裏面照射型である。
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a photoelectric conversion device 100 according to this embodiment. The photoelectric conversion device 100 can be, for example, a solid-state imaging device, a focus detection device, a distance measuring device, a TOF (Time-Of-Flight) camera, or the like. The photoelectric conversion device 100 has a sensor substrate 11 (first substrate) and a circuit substrate 21 (second substrate) which are laminated to each other. The sensor board 11 and the circuit board 21 are electrically connected to each other. The sensor substrate 11 has a pixel region 12 in which a plurality of pixels 101 are arranged in rows and columns. The circuit board 21 includes a first circuit region 22 in which a plurality of pixel signal processing units 103 arranged in a plurality of rows and a plurality of columns are arranged, and a second circuit region 22 arranged on the periphery of the first circuit region 22 . and a circuit region 23 . The second circuit region 23 can include circuits or the like that control the plurality of pixel signal processing units 103 . The sensor substrate 11 has a light incident surface for receiving incident light and a connection surface facing the light incident surface. The sensor board 11 is connected to the circuit board 21 on the connection surface side. That is, the photoelectric conversion device 100 is a so-called backside illumination type.

本明細書において、「平面視」とは、光入射面とは反対側の面に対して垂直な方向から視ることを指す。また、断面とは、センサ基板11の光入射面とは反対側の面に対して垂直な方向における面を指す。なお、微視的に見て光入射面が粗面である場合もあり得るが、その場合には巨視的に見たときの光入射面を基準として平面視を定義する。 In this specification, "planar view" refers to viewing from a direction perpendicular to the surface opposite to the light incident surface. Further, the cross section refers to a surface in a direction perpendicular to the surface of the sensor substrate 11 opposite to the light incident surface. Note that the light incident surface may be a rough surface when viewed microscopically, but in such a case, the plane view is defined with reference to the light incident surface when viewed macroscopically.

以下では、センサ基板11と回路基板21とは、ダイシングされたチップであるものとして説明するが、センサ基板11と回路基板21とは、チップに限定されるものではない。例えば、センサ基板11と回路基板21とは、ウエハであってもよい。また、センサ基板11と回路基板21とがダイシング済みのチップである場合には、光電変換装置100は、ウエハ状態で積層した後にダイシングされることにより製造されてもよく、ダイシングされた後に積層されることにより製造されてもよい。 In the following description, the sensor substrate 11 and the circuit substrate 21 are diced chips, but the sensor substrate 11 and the circuit substrate 21 are not limited to chips. For example, the sensor substrate 11 and the circuit substrate 21 may be wafers. Further, when the sensor substrate 11 and the circuit substrate 21 are diced chips, the photoelectric conversion device 100 may be manufactured by stacking wafers and then dicing, or may be stacked after dicing. may be manufactured by

図2は、センサ基板11の配置例を示す概略ブロック図である。画素領域12には、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素101が配されている。複数の画素101の各々は、光電変換素子としてアバランシェフォトダイオード(以下、APDと呼ぶ)を含む光電変換部102を基板内に有している。光電変換装置100が撮像装置である場合には、複数の画素101は、光電変換により画像用の信号を生成する素子であり得る。しかしながら、光電変換装置100がTOF等の技術を用いた測距装置である場合には、画素101は、光が到達した時刻と光量を測定するための素子であり得る。すなわち、複数の画素101の用途は画像の取得に限定されない。 FIG. 2 is a schematic block diagram showing an arrangement example of the sensor substrate 11. As shown in FIG. A plurality of pixels 101 arranged in a plurality of rows and a plurality of columns are arranged in the pixel region 12 . Each of the plurality of pixels 101 has a photoelectric conversion section 102 including an avalanche photodiode (hereinafter referred to as APD) as a photoelectric conversion element in the substrate. When the photoelectric conversion device 100 is an imaging device, the plurality of pixels 101 can be elements that generate image signals by photoelectric conversion. However, if the photoelectric conversion device 100 is a distance measuring device using a technology such as TOF, the pixel 101 can be an element for measuring the arrival time and amount of light. That is, the use of the plurality of pixels 101 is not limited to image acquisition.

APD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。第1導電型とは、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする導電型を指す。また、第1導電型と反対の導電型、すなわち、信号電荷と異なる極性の電荷を多数キャリアとする導電型を第2導電型と呼ぶ。以下の説明のAPDにおいては、APDのアノードは固定電位とされており、APDのカソードから信号が取り出される。したがって、第1導電型の半導体領域とはN型半導体領域であり、第2導電型の半導体領域とはP型半導体領域である。なお、APDのカソードが固定電位とされ、APDのアノードから信号が取り出される構成であってもよい。この場合は、第1導電型の半導体領域とはP型半導体領域であり、第2導電型の半導体領域とはN型半導体領域である。また、以下では、APDの一方のノードを固定電位とする場合について説明するが、両方のノードの電位が変動する構成であってもよい。 The conductivity type of the charge used as the signal charge among the charge pairs generated in the APD is called the first conductivity type. The first conductivity type refers to a conductivity type in which majority carriers are charges of the same polarity as the signal charges. A conductivity type opposite to the first conductivity type, that is, a conductivity type in which charges having a polarity different from that of signal charges are majority carriers is referred to as a second conductivity type. In the APD described below, the anode of the APD is at a fixed potential, and a signal is taken out from the cathode of the APD. Therefore, the semiconductor region of the first conductivity type is the N-type semiconductor region, and the semiconductor region of the second conductivity type is the P-type semiconductor region. It should be noted that the cathode of the APD may be at a fixed potential, and the signal may be extracted from the anode of the APD. In this case, the semiconductor region of the first conductivity type is a P-type semiconductor region, and the semiconductor region of the second conductivity type is an N-type semiconductor region. Moreover, although the case where one node of the APD is set to a fixed potential will be described below, the configuration may be such that the potentials of both nodes fluctuate.

本明細書において、単に「不純物濃度」という用語が使われた場合には、逆導電型の不純物によって補償された分を差し引いた正味の不純物濃度を意味している。すなわち、「不純物濃度」とは、NETドーピング濃度を指す。P型の添加不純物濃度がN型の添加不純物濃度より高い領域はP型半導体領域である。反対に、N型の添加不純物濃度がP型の添加不純物濃度より高い領域はN型半導体領域である。 In this specification, when the term "impurity concentration" is simply used, it means the net impurity concentration after subtracting the amount compensated by the impurity of the opposite conductivity type. That is, "impurity concentration" refers to NET doping concentration. A region in which the P-type impurity concentration is higher than the N-type impurity concentration is a P-type semiconductor region. On the contrary, a region where the N-type impurity concentration is higher than the P-type impurity concentration is an N-type semiconductor region.

図3は、回路基板21の構成例を示す概略ブロック図である。回路基板21は、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素信号処理部103が配された第1回路領域22を有している。 FIG. 3 is a schematic block diagram showing a configuration example of the circuit board 21. As shown in FIG. The circuit board 21 has a first circuit region 22 in which a plurality of pixel signal processing units 103 are arranged in a plurality of rows and columns.

また、回路基板21には、垂直走査回路110、水平走査回路111、読み出し回路112、画素出力信号線113、出力回路114及び制御信号生成部115が配されている。図2に示されている複数の光電変換部102と、図3に示されている複数の画素信号処理部103は、それぞれ、画素101ごとに設けられた接続配線を介して電気的に接続されている。 A vertical scanning circuit 110 , a horizontal scanning circuit 111 , a readout circuit 112 , a pixel output signal line 113 , an output circuit 114 and a control signal generator 115 are arranged on the circuit board 21 . The plurality of photoelectric conversion units 102 shown in FIG. 2 and the plurality of pixel signal processing units 103 shown in FIG. ing.

制御信号生成部115は、垂直走査回路110、水平走査回路111及び読み出し回路112を駆動する制御信号を生成し、これらの各部に供給する制御回路である。これにより、制御信号生成部115は、各部の駆動タイミング等の制御を行う。 The control signal generation unit 115 is a control circuit that generates control signals for driving the vertical scanning circuit 110, the horizontal scanning circuit 111, and the readout circuit 112, and supplies the control signals to these units. Thereby, the control signal generation unit 115 controls the driving timing of each unit.

垂直走査回路110は、制御信号生成部115から供給された制御信号に基づいて、複数の画素信号処理部103の各々に制御信号を供給する。垂直走査回路110は、第1回路領域22の行ごとに設けられている駆動線を介して各画素信号処理部103に対して行ごとに制御信号を供給する。なお、後述するように、この駆動線は各行について複数本であり得る。垂直走査回路110にはシフトレジスタ、アドレスデコーダ等の論理回路が用いられ得る。これにより、垂直走査回路110は、画素信号処理部103から信号を出力させる行の選択を行う。 The vertical scanning circuit 110 supplies a control signal to each of the plurality of pixel signal processing units 103 based on the control signal supplied from the control signal generation unit 115 . The vertical scanning circuit 110 supplies a control signal to each pixel signal processing unit 103 for each row through a drive line provided for each row of the first circuit region 22 . As will be described later, each row may have a plurality of drive lines. Logic circuits such as shift registers and address decoders can be used for the vertical scanning circuit 110 . As a result, the vertical scanning circuit 110 selects a row to output a signal from the pixel signal processing unit 103 .

画素101の光電変換部102から出力された信号は、画素信号処理部103で処理される。画素信号処理部103は、光電変換部102に含まれるAPDから出力されるパルスの数をカウントすることにより複数のビットを有するデジタル信号を取得して保持する。 A signal output from the photoelectric conversion unit 102 of the pixel 101 is processed by the pixel signal processing unit 103 . The pixel signal processing unit 103 acquires and holds a digital signal having a plurality of bits by counting the number of pulses output from the APD included in the photoelectric conversion unit 102 .

水平走査回路111は、制御信号生成部115から供給された制御信号に基づいて、読み出し回路112に制御信号を供給する。画素信号処理部103は、第1回路領域22の列ごとに設けられている画素出力信号線113を介して読み出し回路112に接続されている。1つの列の画素出力信号線113は、対応する列の複数の画素信号処理部103に共有されている。画素出力信号線113は、複数の配線を含んでおり、少なくとも、各画素信号処理部103からデジタル信号を読み出し回路112に出力する機能と、信号を出力させる列を選択するための制御信号を画素信号処理部103に供給する機能とを有している。読み出し回路112は、制御信号生成部115から供給された制御信号に基づいて、出力回路114を介して光電変換装置100の外部の記憶部又は信号処理部に信号を出力する。 The horizontal scanning circuit 111 supplies a control signal to the readout circuit 112 based on the control signal supplied from the control signal generator 115 . The pixel signal processing unit 103 is connected to the readout circuit 112 via pixel output signal lines 113 provided for each column of the first circuit region 22 . A pixel output signal line 113 in one column is shared by a plurality of pixel signal processing units 103 in the corresponding column. The pixel output signal line 113 includes a plurality of wirings, and has at least a function of outputting a digital signal from each pixel signal processing unit 103 to the readout circuit 112 and a control signal for selecting a column from which a signal is to be output. It also has a function of supplying to the signal processing unit 103 . The readout circuit 112 outputs a signal to the external storage or signal processing unit of the photoelectric conversion device 100 via the output circuit 114 based on the control signal supplied from the control signal generation unit 115 .

画素領域12における光電変換部102の配列は1次元状に配されていてもよい。また、画素信号処理部103の機能は、必ずしもすべての画素101に1つずつ設けられていなくてもよい。例えば、複数の画素101によって1つの画素信号処理部103が共有されていてもよい。この場合、画素信号処理部103は、各光電変換部102から出力された信号を順次処理することにより、各画素101に対して信号処理の機能を提供する。 The arrangement of the photoelectric conversion units 102 in the pixel region 12 may be one-dimensional. Further, the function of the pixel signal processing unit 103 does not necessarily have to be provided for each of the pixels 101 . For example, one pixel signal processing unit 103 may be shared by a plurality of pixels 101 . In this case, the pixel signal processing unit 103 provides a signal processing function to each pixel 101 by sequentially processing the signals output from each photoelectric conversion unit 102 .

図2及び図3に示されているように、平面視で画素領域12に重なる領域に、複数の画素信号処理部103が配された第1回路領域22が配される。そして、平面視において、センサ基板11の端と画素領域12の端との間に重なるように、垂直走査回路110、水平走査回路111、読み出し回路112、出力回路114、制御信号生成部115が配される。言い換えると、センサ基板11は、画素領域12と画素領域12の周りに配された非画素領域とを有する。そして、回路基板21において、平面視で非画素領域に重なる領域に、垂直走査回路110、水平走査回路111、読み出し回路112、出力回路114及び制御信号生成部115が配された第2回路領域23が配されている。 As shown in FIGS. 2 and 3, a first circuit region 22 in which a plurality of pixel signal processing units 103 are arranged is arranged in a region overlapping the pixel region 12 in plan view. A vertical scanning circuit 110, a horizontal scanning circuit 111, a readout circuit 112, an output circuit 114, and a control signal generator 115 are arranged so as to overlap between the edge of the sensor substrate 11 and the edge of the pixel region 12 in plan view. be done. In other words, the sensor substrate 11 has a pixel region 12 and non-pixel regions arranged around the pixel region 12 . A second circuit region 23 in which the vertical scanning circuit 110, the horizontal scanning circuit 111, the readout circuit 112, the output circuit 114, and the control signal generator 115 are arranged in the region overlapping the non-pixel region in plan view on the circuit board 21. are distributed.

なお、画素出力信号線113の配置、読み出し回路112の配置及び出力回路114の配置は図3に示されているものに限定されない。例えば、画素出力信号線113が行方向に延びて配されており、対応する行の複数の画素信号処理部103に共有される配置であってもよい。そして、各行の画素出力信号線113が接続されるように読み出し回路112が配されていてもよい。 Note that the arrangement of the pixel output signal lines 113, the arrangement of the readout circuits 112, and the arrangement of the output circuits 114 are not limited to those shown in FIG. For example, the pixel output signal lines 113 may be arranged extending in the row direction and shared by the plurality of pixel signal processing units 103 in the corresponding row. The readout circuit 112 may be arranged so that the pixel output signal lines 113 of each row are connected.

図4は、本実施形態に係る光電変換部102及び画素信号処理部103の1画素分の構成例を示す概略ブロック図である。図4には、センサ基板11に配された光電変換部102と回路基板21に配された画素信号処理部103との接続関係を含むより具体的な構成例が模式的に示されている。なお、図4においては図3における垂直走査回路110と画素信号処理部103との間の駆動線を駆動線213、214として示している。 FIG. 4 is a schematic block diagram showing a configuration example for one pixel of the photoelectric conversion unit 102 and the pixel signal processing unit 103 according to this embodiment. FIG. 4 schematically shows a more specific configuration example including the connection relationship between the photoelectric conversion section 102 arranged on the sensor substrate 11 and the pixel signal processing section 103 arranged on the circuit board 21 . 4, drive lines 213 and 214 are shown as drive lines between the vertical scanning circuit 110 and the pixel signal processing unit 103 in FIG.

光電変換部102は、APD201を有している。画素信号処理部103は、クエンチ素子202、波形整形部210、カウンタ回路211及び選択回路212を有している。なお、画素信号処理部103は、波形整形部210、カウンタ回路211及び選択回路212の少なくとも1つを有していればよい。 The photoelectric conversion unit 102 has an APD 201 . The pixel signal processing section 103 has a quench element 202 , a waveform shaping section 210 , a counter circuit 211 and a selection circuit 212 . Note that the pixel signal processing unit 103 may have at least one of the waveform shaping unit 210 , the counter circuit 211 and the selection circuit 212 .

APD201は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。APD201のアノードには、電圧VL(第1電圧)が供給される。また、APD201のカソードは、クエンチ素子202の第1端子及び波形整形部210の入力端子に接続されている。APD201のカソードには、アノードに供給される電圧VLよりも高い電圧VH(第2電圧)が供給される。これにより、APD201のアノードとカソードには、APD201がアバランシェ増倍動作をするような逆バイアス電圧が供給される。逆バイアス電圧が供給されているAPD201において、入射光により電荷が生じると、この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。 The APD 201 generates charge pairs according to incident light through photoelectric conversion. A voltage VL (first voltage) is supplied to the anode of the APD 201 . Also, the cathode of the APD 201 is connected to the first terminal of the quench element 202 and the input terminal of the waveform shaping section 210 . A cathode of the APD 201 is supplied with a voltage VH (second voltage) higher than the voltage VL supplied to the anode. As a result, the anode and cathode of the APD 201 are supplied with a reverse bias voltage that causes the APD 201 to perform an avalanche multiplication operation. In the APD 201 to which a reverse bias voltage is supplied, when charges are generated by incident light, the charges cause avalanche multiplication to generate an avalanche current.

なお、APD201に逆バイアスの電圧が供給される場合の動作モードには、ガイガーモードとリニアモードとがある。ガイガーモードはアノード及びカソードの電位差が降伏電圧より大きい電位差で動作させるモードであり、リニアモードはアノード及びカソードの電位差が降伏電圧近傍又はそれ以下で動作させるモードである。 Operation modes in the case where a reverse bias voltage is supplied to the APD 201 include a Geiger mode and a linear mode. The Geiger mode is a mode in which the potential difference between the anode and cathode is greater than the breakdown voltage, and the linear mode is a mode in which the potential difference between the anode and cathode is close to or below the breakdown voltage.

ガイガーモードで動作させるAPDをSPAD(Single Photon Avalanche Diode)と呼ぶ。このとき、例えば、電圧VL(第1電圧)が-30Vであり、電圧VH(第2電圧)が1Vである。APD201は、リニアモードで動作させてもよく、ガイガーモードで動作させてもよい。SPADの場合はリニアモードのAPDに比べて電位差が大きくなりアバランシェ増倍の効果が顕著となるため、SPADであることが好ましい。 An APD operated in Geiger mode is called a SPAD (Single Photon Avalanche Diode). At this time, for example, the voltage VL (first voltage) is -30V and the voltage VH (second voltage) is 1V. APD 201 may be operated in linear mode or may be operated in Geiger mode. In the case of SPAD, the potential difference is larger than that of linear mode APD, and the effect of avalanche multiplication is remarkable, so SPAD is preferable.

クエンチ素子202は、アバランシェ増倍による信号増倍時に負荷回路(クエンチ回路)として機能する。クエンチ素子202は、APD201に供給する電圧を抑制して、アバランシェ増倍を抑制する(クエンチ動作)。また、クエンチ素子202は、クエンチ動作による電圧降下に応じた電流を流すことにより、APD201に供給する電圧を電圧VHへと戻す(リチャージ動作)。クエンチ素子202は、例えば、抵抗素子であり得る。 The quench element 202 functions as a load circuit (quench circuit) during signal multiplication by avalanche multiplication. The quench element 202 suppresses the voltage supplied to the APD 201 to suppress avalanche multiplication (quench operation). Also, the quench element 202 returns the voltage supplied to the APD 201 to the voltage VH by causing a current corresponding to the voltage drop due to the quench operation (recharge operation). Quenching element 202 can be, for example, a resistive element.

波形整形部210は、光子検出時に得られるAPD201のカソードの電位変化を整形して、パルス信号を出力する。波形整形部210としては、例えば、インバータ回路が用いられる。図4には、波形整形部210としてインバータを1つ用いた例が示されているが、波形整形部210は、複数のインバータを直列接続した回路を用いてもよく、波形整形効果を有するその他の回路であってもよい。 A waveform shaping unit 210 shapes the potential change of the cathode of the APD 201 obtained during photon detection, and outputs a pulse signal. For example, an inverter circuit is used as the waveform shaping section 210 . Although FIG. 4 shows an example in which one inverter is used as the waveform shaping section 210, the waveform shaping section 210 may use a circuit in which a plurality of inverters are connected in series. may be a circuit of

カウンタ回路211は、波形整形部210から出力されたパルス信号をカウントし、カウント値を示すデジタル信号を保持する。また、駆動線213を介して垂直走査回路110から制御信号が供給されたとき、カウンタ回路211は保持している信号をリセットする。 The counter circuit 211 counts the pulse signals output from the waveform shaping section 210 and holds a digital signal indicating the count value. Also, when a control signal is supplied from the vertical scanning circuit 110 via the drive line 213, the counter circuit 211 resets the signal it holds.

選択回路212には、図3に示されている垂直走査回路110から、図4に示されている駆動線214を介して制御信号が供給される。この制御信号に応じて、選択回路212は、カウンタ回路211と画素出力信号線113との電気的な接続、非接続を切り替える。選択回路212は、例えば、カウンタ回路211に保持されている値に応じた信号を出力するためのバッファ回路等を含む。 A control signal is supplied to the selection circuit 212 from the vertical scanning circuit 110 shown in FIG. 3 through the drive line 214 shown in FIG. In accordance with this control signal, the selection circuit 212 switches between electrical connection and non-connection between the counter circuit 211 and the pixel output signal line 113 . The selection circuit 212 includes, for example, a buffer circuit or the like for outputting a signal corresponding to the value held in the counter circuit 211 .

なお、図4の例では、選択回路212においてカウンタ回路211と画素出力信号線113との電気的な接続、非接続の切り替えが行われているが、画素出力信号線113への信号出力を制御する手法はこれに限定されない。例えば、クエンチ素子202とAPD201との間、光電変換部102と画素信号処理部103との間等のノードにトランジスタ等のスイッチを配し、電気的な接続、非接続を切り替えることにより、画素出力信号線113への信号出力を制御してもよい。また、光電変換部102に供給される電圧VH又は電圧VLの値をトランジスタ等のスイッチを用いて変えることにより画素出力信号線113への信号出力を制御してもよい。 In the example of FIG. 4, the selection circuit 212 switches between electrical connection and non-connection between the counter circuit 211 and the pixel output signal line 113, but the signal output to the pixel output signal line 113 is controlled. The method to do is not limited to this. For example, a switch such as a transistor is arranged at a node such as between the quench element 202 and the APD 201 or between the photoelectric conversion unit 102 and the pixel signal processing unit 103, and the pixel output is changed by switching between electrical connection and non-connection. Signal output to the signal line 113 may be controlled. Alternatively, the signal output to the pixel output signal line 113 may be controlled by changing the value of the voltage VH or the voltage VL supplied to the photoelectric conversion unit 102 using a switch such as a transistor.

図4では、カウンタ回路211を用いる構成例を示している。しかしながら、カウンタ回路211の代わりに、時間・デジタル変換回路(Time to Digital Converter:以下、TDC)、メモリを用いて、パルスを検出するタイミングを取得してもよい。このとき、波形整形部210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。この場合、図3の垂直走査回路110から駆動線を介して、TDCに制御信号(参照信号)が供給され得る。TDCは、制御信号を基準とするパルスの入力タイミングの相対時間を示す信号をデジタル信号として取得する。 FIG. 4 shows a configuration example using the counter circuit 211 . However, instead of the counter circuit 211, a time-to-digital converter (hereinafter referred to as TDC) and memory may be used to acquire the timing for detecting the pulse. At this time, the generation timing of the pulse signal output from the waveform shaping section 210 is converted into a digital signal by the TDC. In this case, a control signal (reference signal) can be supplied to the TDC from the vertical scanning circuit 110 of FIG. 3 through the drive line. The TDC obtains as a digital signal a signal indicating the relative time of the pulse input timing with reference to the control signal.

図5(a)、図5(b)及び図5(c)は、本実施形態に係るAPD201の動作を説明する図である。図5(a)は、図4におけるAPD201、クエンチ素子202、波形整形部210を抜き出して示した図である。図5(a)に示されるように、APD201、クエンチ素子202及び波形整形部210の入力端子の接続ノードをnodeAとする。また、図5(a)に示されるように、波形整形部210の出力側をnodeBとする。 5(a), 5(b) and 5(c) are diagrams for explaining the operation of the APD 201 according to this embodiment. FIG. 5(a) is a diagram showing the APD 201, the quench element 202, and the waveform shaping section 210 extracted from FIG. As shown in FIG. 5A, the connection node of the input terminals of the APD 201, the quench element 202 and the waveform shaping section 210 is nodeA. Also, as shown in FIG. 5A, the output side of the waveform shaping section 210 is nodeB.

図5(b)は、図5(a)におけるnodeAの電位の時間変化を示すグラフである。図5(c)は、図5(a)におけるnodeBの電位の時間変化を示すグラフである。時刻t0から時刻t1の期間において、図5(a)のAPD201には、VH-VLの電圧が印加されている。時刻t1において光子がAPD201に入射すると、APD201においてアバランシェ増倍が生じる。これにより、クエンチ素子202にアバランシェ電流が流れ、nodeAの電位は降下する。その後、電位降下量が更に大きくなり、APD201に印加される電圧が徐々に小さくなる。そして、時刻t2においてAPD201におけるアバランシェ増倍が停止する。これにより、nodeAの電圧レベルはある一定値よりも降下しなくなる。その後、時刻t2から時刻t3の期間において、nodeAには電圧VHのノードから電圧降下分を補う電流が流れ、時刻t3においてnodeAは元の電位に整定する。 FIG. 5(b) is a graph showing the time change of the potential of node A in FIG. 5(a). FIG. 5(c) is a graph showing temporal changes in the potential of node B in FIG. 5(a). During the period from time t0 to time t1, a voltage of VH-VL is applied to the APD 201 in FIG. 5(a). When a photon strikes the APD 201 at time t1, the APD 201 undergoes avalanche multiplication. As a result, an avalanche current flows through the quench element 202, and the potential of nodeA drops. After that, the potential drop amount further increases, and the voltage applied to the APD 201 gradually decreases. Then, at time t2, the avalanche multiplication in APD 201 stops. As a result, the voltage level of nodeA does not drop below a certain value. Thereafter, in the period from time t2 to time t3, a current that compensates for the voltage drop from the node of voltage VH flows through nodeA, and at time t3, nodeA settles to the original potential.

上述の過程において、nodeAの電位がある閾値よりも低い期間においてnodeBの電位はハイレベルになる。このようにして、光子の入射によって生じたnodeAの電位の降下の波形は、波形整形部210によって整形され、nodeBにパルスとして出力される。 In the above process, the potential of nodeB becomes high level while the potential of nodeA is lower than a certain threshold. In this way, the waveform of the potential drop of nodeA caused by incident photons is shaped by the waveform shaping section 210 and output as a pulse to nodeB.

図6(a)及び図6(b)は、本実施形態に係るAPD201の構造を示す図である。図6(a)は、APD201の断面模式図である。図6(b)は、半導体層300のアバランシェ増倍領域近傍の構造を示す平面模式図である。図6(a)及び図6(b)を相互に参照しつつ、APD201の構造を説明する。 6A and 6B are diagrams showing the structure of the APD 201 according to this embodiment. FIG. 6A is a schematic cross-sectional view of the APD 201. FIG. FIG. 6B is a schematic plan view showing the structure of the semiconductor layer 300 in the vicinity of the avalanche multiplication region. The structure of the APD 201 will be described with mutual reference to FIGS. 6(a) and 6(b).

APD201を構成する複数の半導体領域は、センサ基板11の半導体層300に配されている。図6は、入射光が入射する方向が上側となるように図示されている。半導体層300は、光が入射する第1面と、第1面とは反対側の面である第2面とを有する。本明細書において、深さ方向は、APD201が配される半導体層300の第1面から第2面に向かう方向である。以下では、「第1面」を「裏面」という場合があり、「第2面」を「表面」という場合がある。半導体層300の所定の位置から、半導体層300の表面方向に向かう方向を、「深い」と表現することもある。また、半導体層300の所定の位置から、半導体層300の裏面方向に向かう方向を、「浅い」と表現することもある。 A plurality of semiconductor regions forming the APD 201 are arranged on the semiconductor layer 300 of the sensor substrate 11 . FIG. 6 is illustrated so that the direction in which incident light is incident is the upper side. The semiconductor layer 300 has a first surface on which light is incident and a second surface opposite to the first surface. In this specification, the depth direction is the direction from the first surface to the second surface of the semiconductor layer 300 on which the APD 201 is arranged. Hereinafter, the "first surface" may be referred to as the "rear surface", and the "second surface" may be referred to as the "front surface". A direction from a predetermined position of the semiconductor layer 300 toward the surface of the semiconductor layer 300 may be expressed as “deep”. Also, the direction from a predetermined position of the semiconductor layer 300 toward the back surface of the semiconductor layer 300 may be expressed as “shallow”.

図6(a)に示されているように、APD201は、センサ基板11の半導体層300と、その第1面側に配されている絶縁層304と、絶縁層304の入射側に配されたマイクロレンズ323とを含む。APD201にはフィルタ層が更に配されていてもよい。フィルタ層の例としては、カラーフィルタ、赤外光カットフィルタ、モノクロフィルタ等の光学フィルタが挙げられる。カラーフィルタは、例えば、RGBカラーフィルタ、RGBWカラーフィルタ等であり得る。 As shown in FIG. 6( a ), the APD 201 comprises a semiconductor layer 300 of the sensor substrate 11 , an insulating layer 304 arranged on the first surface side thereof, and an insulating layer 304 arranged on the incident side of the insulating layer 304 . and a microlens 323 . APD 201 may further include a filter layer. Examples of the filter layer include optical filters such as color filters, infrared cut filters, and monochrome filters. The color filters can be, for example, RGB color filters, RGBW color filters, or the like.

半導体層300は、第1半導体領域311、第2半導体領域312、第3半導体領域313、第4半導体領域314、第5半導体領域315、第6半導体領域316、第7半導体領域317及び画素分離部324を有している。APD201は、第1導電型の第1半導体領域311と、第2導電型の第2半導体領域312を少なくとも含む。第1半導体領域311と第2半導体領域312とは、PN接合を形成している。第1半導体領域311の不純物濃度は、第2半導体領域312の不純物濃度よりも高い。また、第1半導体領域311と第2半導体領域312とには所定の逆バイアス電圧が印加され、これによりアバランシェ増倍領域が形成される。 The semiconductor layer 300 includes a first semiconductor region 311, a second semiconductor region 312, a third semiconductor region 313, a fourth semiconductor region 314, a fifth semiconductor region 315, a sixth semiconductor region 316, a seventh semiconductor region 317, and a pixel separation portion. 324. The APD 201 includes at least a first conductivity type first semiconductor region 311 and a second conductivity type second semiconductor region 312 . The first semiconductor region 311 and the second semiconductor region 312 form a PN junction. The impurity concentration of the first semiconductor region 311 is higher than that of the second semiconductor region 312 . A predetermined reverse bias voltage is applied to the first semiconductor region 311 and the second semiconductor region 312, thereby forming an avalanche multiplication region.

図6(a)に示されているように、深さ方向において第1半導体領域311と第2半導体領域312の間には、第1導電型の第3半導体領域313が配され得る。第3半導体領域313は、電界緩和の機能を有している。電界緩和の機能を実現可能であれば、第3半導体領域313は、第2導電型であってもよい。また、図6(b)に示されているように、第1半導体領域311は平面視において円形であり得る。また、第3半導体領域313は平面視において第1半導体領域311を囲うような同心円状であり得る。 As shown in FIG. 6A, a third semiconductor region 313 of the first conductivity type can be arranged between the first semiconductor region 311 and the second semiconductor region 312 in the depth direction. The third semiconductor region 313 has a function of alleviating an electric field. The third semiconductor region 313 may be of the second conductivity type as long as the function of alleviating the electric field can be realized. Also, as shown in FIG. 6B, the first semiconductor region 311 may be circular in plan view. Also, the third semiconductor region 313 may be concentric so as to surround the first semiconductor region 311 in plan view.

図6(a)に示されているように、第2半導体領域312よりも浅い位置には、第2導電型の第5半導体領域315が配されている。第5半導体領域315は、第2導電型の第4半導体領域314と接するように配されている。図6(b)に示されているように、平面視において、第4半導体領域314は、第1半導体領域311、第2半導体領域312及び第3半導体領域313を囲うように配されている。図6(a)及び図6(b)に示されているように、平面視において、APD201の全面に第5半導体領域315が配されていてもよく、第5半導体領域315の一部が第4半導体領域314と重なっていてもよい。第4半導体領域314は、半導体層300の全深さにわたって配されていてもよく、第4半導体領域314の一部が第5半導体領域315と同じ深さにあってもよい。 As shown in FIG. 6A, a fifth semiconductor region 315 of the second conductivity type is arranged at a position shallower than the second semiconductor region 312 . The fifth semiconductor region 315 is arranged so as to be in contact with the fourth semiconductor region 314 of the second conductivity type. As shown in FIG. 6B, the fourth semiconductor region 314 is arranged to surround the first semiconductor region 311, the second semiconductor region 312 and the third semiconductor region 313 in plan view. As shown in FIGS. 6A and 6B, in plan view, the fifth semiconductor region 315 may be arranged over the entire surface of the APD 201, and part of the fifth semiconductor region 315 may be the first semiconductor region. 4 may overlap with the semiconductor region 314 . The fourth semiconductor region 314 may be arranged over the entire depth of the semiconductor layer 300 , or part of the fourth semiconductor region 314 may be at the same depth as the fifth semiconductor region 315 .

複数のAPD201(画素101)のうちの互いに隣接するAPD201の間の部分には、半導体層300に絶縁体(誘電体)が埋め込まれた構造を有する画素分離部324が配されている。画素分離部324には、図6(a)及び図6(b)に示されているように、深い溝に酸化シリコン等の絶縁体が埋め込まれているディープトレンチアイソレーション(DTI)構造が用いられ得る。深い溝には、絶縁体以外にも、金属が埋め込まれていてもよい。また、深い溝の側壁に薄い絶縁体層を形成し、この深い溝及び絶縁体層の中に金属を充填してもよい。画素分離部324は、平面視において、1つのAPD201を囲う長方形(正方形を含む)をなしている。これにより、画素分離部324は、1つのAPD201を他の素子から分離している。なお、画素分離部324は平面視においてAPD201の全周囲を囲うように配されていてもよく、対辺部のみ等のように周囲の一部のみを囲うように配されていてもよい。 Between the APDs 201 adjacent to each other among the plurality of APDs 201 (pixels 101), a pixel separation section 324 having a structure in which an insulator (dielectric) is embedded in the semiconductor layer 300 is arranged. As shown in FIGS. 6A and 6B, the pixel separation section 324 uses a deep trench isolation (DTI) structure in which a deep trench is filled with an insulator such as silicon oxide. can be The deep trenches may be filled with metal other than the insulator. Alternatively, a thin insulator layer may be formed on the sidewalls of the deep trench and the deep trench and insulator layer may be filled with metal. The pixel separation section 324 forms a rectangle (including a square) surrounding one APD 201 in plan view. Thereby, the pixel separation unit 324 separates one APD 201 from other elements. In addition, the pixel separation unit 324 may be arranged so as to surround the entire periphery of the APD 201 in plan view, or may be arranged so as to surround only a part of the periphery such as only the opposite side portion.

第2半導体領域312と第5半導体領域315の間には、第1導電型の第7半導体領域317が設けられている。第7半導体領域317の不純物濃度は、第7半導体領域317の周囲に設けられている第6半導体領域316の不純物濃度よりも高い。この構成により、信号電荷にとって、第6半導体領域316のポテンシャルよりも第7半導体領域317のポテンシャルの方が低くなり、より多くの電荷をアバランシェ増倍領域に収集することが可能となる。第7半導体領域317は、必要に応じて設けられる半導体領域であり、設けられていなくてもよい。また、図6(a)において、第7半導体領域317の一部と第2半導体領域312とが接触しているが、第7半導体領域317は第2半導体領域312から離間して設けられていてもよい。 A seventh semiconductor region 317 of the first conductivity type is provided between the second semiconductor region 312 and the fifth semiconductor region 315 . The impurity concentration of the seventh semiconductor region 317 is higher than that of the sixth semiconductor region 316 provided around the seventh semiconductor region 317 . With this configuration, for signal charges, the potential of the seventh semiconductor region 317 is lower than the potential of the sixth semiconductor region 316, allowing more charges to be collected in the avalanche multiplication region. The seventh semiconductor region 317 is a semiconductor region that is provided as necessary, and may not be provided. In FIG. 6A, part of the seventh semiconductor region 317 and the second semiconductor region 312 are in contact with each other, but the seventh semiconductor region 317 is provided apart from the second semiconductor region 312. good too.

絶縁層304には、半導体層300の第1面側に、ピニング層321及び反射防止層325(第1反射防止層)がこの順に配されている。反射防止層325の入射側には、第1絶縁体327及び第2絶縁体328が配されている。第1絶縁体327及び第2絶縁体328の入射側には、反射防止層326(第2反射防止層)及び平坦化層322がこの順に配されている。第1絶縁体327及び第2絶縁体328は、これらが絶縁層304に平行な方向に交互に繰り返されるように周期的にパターニングされたトレンチ構造をなしている。言い換えると、入射光が1つのAPD201に入射され得る領域において、第1絶縁体327及び第2絶縁体328が絶縁層304に平行な方向に複数組配されている。このトレンチ構造は、例えば、第1絶縁体327に形成されたトレンチに第2絶縁体328を埋め込むように成膜することによって形成され得る。 A pinning layer 321 and an antireflection layer 325 (first antireflection layer) are arranged in this order on the insulating layer 304 on the first surface side of the semiconductor layer 300 . A first insulator 327 and a second insulator 328 are arranged on the incident side of the antireflection layer 325 . An antireflection layer 326 (second antireflection layer) and a planarization layer 322 are arranged in this order on the incident sides of the first insulator 327 and the second insulator 328 . The first insulator 327 and the second insulator 328 form a periodically patterned trench structure such that they are alternately repeated in a direction parallel to the insulating layer 304 . In other words, a plurality of sets of first insulators 327 and second insulators 328 are arranged in a direction parallel to the insulating layer 304 in a region where incident light can be incident on one APD 201 . This trench structure can be formed, for example, by depositing the second insulator 328 so as to fill the trench formed in the first insulator 327 .

第1絶縁体327及び第2絶縁体328の各々の材料は、光を透過するとともに屈折率が異なる絶縁材料であればよい。典型的には、第2絶縁体328の屈折率n2は、第1絶縁体327の屈折率n1よりも大きい(n2>n1)。このように、屈折率が周期的に変化するトレンチ構造を絶縁層304内に配することにより、絶縁層304を通過する入射光が回折する。なお、屈折率の大小関係は逆であってもよい。 The material of each of the first insulator 327 and the second insulator 328 may be an insulating material that transmits light and has a different refractive index. Typically, the refractive index n2 of the second insulator 328 is greater than the refractive index n1 of the first insulator 327 (n2>n1). By arranging the trench structure in which the refractive index changes periodically in the insulating layer 304 in this manner, the incident light passing through the insulating layer 304 is diffracted. Note that the magnitude relationship of the refractive indices may be reversed.

絶縁層304が入射光を回折させることによる効果について説明する。APD201に入射された光が十分に光電変換されるためには、光が半導体層300内を十分な距離(以下、光路長)を伝搬することが必要である。したがって、光電変換の効率を向上させるためには、半導体層300の厚さを十分に確保することが求められる。光電変換の効率向上に要する光路長は、青色光等の比較的波長の短い光の場合には短く、赤色光、近赤外光等の比較的波長の長い光の場合には長い。したがって、APD201が赤色光又は近赤外光に感度を有するものである場合には、APD201が青色光に感度を有するものである場合と比較して、半導体層300がより厚いことが求められる。 The effect of diffracting incident light by the insulating layer 304 will be described. In order for the light incident on the APD 201 to be sufficiently photoelectrically converted, it is necessary for the light to propagate a sufficient distance (hereinafter referred to as optical path length) in the semiconductor layer 300 . Therefore, in order to improve the efficiency of photoelectric conversion, it is required to secure a sufficient thickness of the semiconductor layer 300 . The optical path length required to improve the efficiency of photoelectric conversion is short for light with a relatively short wavelength such as blue light, and is long for light with a relatively long wavelength such as red light and near-infrared light. Therefore, when the APD 201 is sensitive to red light or near-infrared light, the semiconductor layer 300 is required to be thicker than when the APD 201 is sensitive to blue light.

APD201が単結晶シリコン基板に配されている場合の半導体層300の厚さの具体例について述べる。可視領域の光のうち青色光又は緑色光については、図6(a)に示されている半導体層300内の光電変換領域(第1面から第2半導体領域312まで)の深さが4μm程度あれば99%以上の入射光が光電変換される。しかしながら、赤色光又は近赤外光については、入射光の99%以上を光電変換するためには光電変換領域を更に厚くする必要がある。一般的にはAPD201の光電変換領域の深さは数μm程度であるため、特に赤色光、近赤外光等の比較的波長の長い光においては、光電変換の効率が十分でない場合がある。 A specific example of the thickness of the semiconductor layer 300 when the APD 201 is arranged on a single crystal silicon substrate will be described. For blue light or green light in the visible region, the depth of the photoelectric conversion region (from the first surface to the second semiconductor region 312) in the semiconductor layer 300 shown in FIG. 6A is about 4 μm. If so, 99% or more of the incident light is photoelectrically converted. However, for red light or near-infrared light, it is necessary to make the photoelectric conversion region even thicker in order to photoelectrically convert 99% or more of the incident light. Since the depth of the photoelectric conversion region of the APD 201 is generally about several μm, the efficiency of photoelectric conversion may not be sufficient particularly for light with a relatively long wavelength, such as red light and near-infrared light.

これに対し、本実施形態では、トレンチ構造を絶縁層304内に配することにより、絶縁層304を通過する入射光が回折する。これにより、入射光が半導体層300内を伝搬する距離が長くなり、光電変換されやすくなる。したがって、本実施形態によれば、光電変換装置の感度が向上し得る。 In contrast, in the present embodiment, incident light passing through the insulating layer 304 is diffracted by arranging the trench structure in the insulating layer 304 . As a result, the incident light propagates through the semiconductor layer 300 over a longer distance, thereby facilitating photoelectric conversion. Therefore, according to this embodiment, the sensitivity of the photoelectric conversion device can be improved.

上述のトレンチ構造のような凹凸が半導体層300に形成されていると、界面及びその近傍に生じる欠陥準位が暗電流ノイズの増加要因となる場合がある。これに対し、本実施形態では、トレンチ構造は半導体層300ではなく絶縁層304に形成されているため、上述のような要因による暗電流ノイズが低減されている。以上のように、本実施形態によれば、暗電流ノイズの低減及び感度の向上が実現された光電変換装置が提供される。 If the semiconductor layer 300 has irregularities such as the trench structure described above, a defect level generated at and near the interface may increase dark current noise. In contrast, in this embodiment, the trench structure is formed in the insulating layer 304 instead of the semiconductor layer 300, so that the dark current noise due to the above factors is reduced. As described above, according to the present embodiment, a photoelectric conversion device that achieves reduction in dark current noise and improvement in sensitivity is provided.

第1絶縁体327及び第2絶縁体328の各々の材料には、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)、酸化タンタル(Ta)等が上述の屈折率の条件を満たすように用いられ得る。酸化シリコンの屈折率は1.5程度であり、酸窒化シリコンの屈折率は1.8程度であり、窒化シリコンの屈折率は2程度であり、酸化タンタルの屈折率は2程度である。例えば、第1絶縁体327の材料が酸化シリコンである場合には、第2絶縁体328の材料には、酸化シリコンよりも大きな屈折率を有している窒化シリコン、酸窒化シリコン又は酸化タンタルが用いられ得る。屈折率の比を大きくすることで回折効果を大きくする観点から、第2絶縁体328の材料には窒化シリコン又は酸化タンタルが用いられることがより好適である。 Silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), silicon oxynitride (SiON), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), or the like is used as the material of each of the first insulator 327 and the second insulator 328 . It can be used to meet refractive index requirements. Silicon oxide has a refractive index of about 1.5, silicon oxynitride has a refractive index of about 1.8, silicon nitride has a refractive index of about 2, and tantalum oxide has a refractive index of about 2. For example, when the material of the first insulator 327 is silicon oxide, the material of the second insulator 328 is silicon nitride, silicon oxynitride, or tantalum oxide, which has a higher refractive index than silicon oxide. can be used. From the viewpoint of increasing the diffraction effect by increasing the refractive index ratio, it is more preferable to use silicon nitride or tantalum oxide as the material of the second insulator 328 .

図7(a)から図7(h)は、本実施形態に係るトレンチ構造を拡大して示す断面模式図である。図7(a)は、断面において長方形状をなしている第2絶縁体328が反射防止層325に接する位置に配される構造の例である。図7(b)は、第2絶縁体328が反射防止層326の近傍に配される構造の例である。図7(c)は、第2絶縁体328が第1絶縁体327の厚さ方向の中心付近に配される構造の例である。 FIGS. 7A to 7H are cross-sectional schematic diagrams showing enlarged trench structures according to the present embodiment. FIG. 7A shows an example of a structure in which a second insulator 328 having a rectangular cross section is arranged at a position in contact with the antireflection layer 325 . FIG. 7(b) is an example of a structure in which the second insulator 328 is arranged in the vicinity of the antireflection layer 326. FIG. FIG. 7C shows an example of a structure in which the second insulator 328 is arranged near the center of the first insulator 327 in the thickness direction.

第1絶縁体327及び第2絶縁体328がなすトレンチ構造が繰り返される実効周期は、hc/Eよりも小さいことが望ましい。ここで、hはプランク定数[J・s]であり、cは光速[m/s]であり、Eは基板のバンドギャップ[J]である。センサ基板11がシリコン基板である場合には、hc/Eは、1.1μm程度である。APD201において入射光の光電変換が主に生じる波長はhc/Eよりも小さい範囲である。したがって、上述のようにトレンチ構造の実効周期を設定することにより、APD201が感度を有する入射光を効果的に回折させることができるトレンチ構造が実現される。なお、トレンチ構造の周期は、断面視において1つのトレンチの重心からそれと隣接する他のトレンチの重心までの距離として定義され得る。また、実効周期は、トレンチ構造全体にわたる周期の平均として定義され得る。 It is desirable that the effective period of repetition of the trench structure formed by the first insulator 327 and the second insulator 328 be smaller than hc/ Ea . Here, h is Planck's constant [J·s], c is the speed of light [m/s], and Ea is the bandgap of the substrate [J]. When the sensor substrate 11 is a silicon substrate, hc/ Ea is approximately 1.1 μm. The wavelength at which photoelectric conversion of incident light mainly occurs in the APD 201 is in a range smaller than hc/ Ea . Therefore, by setting the effective period of the trench structure as described above, a trench structure capable of effectively diffracting incident light to which the APD 201 is sensitive is realized. Note that the period of the trench structure can be defined as the distance from the center of gravity of one trench to the center of gravity of another adjacent trench in a cross-sectional view. Also, the effective period can be defined as the average of the periods over the entire trench structure.

また、図7(a)に示されているように、第2絶縁体328の幅Wは、トレンチ構造が繰り返される実効周期の半分程度であり得る。すなわち、第2絶縁体328の幅Wは、上述のhc/Eの半分であるhc/2Eよりも小さいことが望ましい。これにより、上述の実効周期を実現することができる。 Also, as shown in FIG. 7(a), the width W1 of the second insulator 328 may be about half the effective period of repeating the trench structure. That is, the width W1 of the second insulator 328 is preferably smaller than hc/ 2Ea , which is half the above-mentioned hc/ Ea . Thereby, the effective period described above can be realized.

図7(d)は、第2絶縁体328の幅Wがトレンチ構造が繰り返される実効周期の半分よりも大きい場合の例(すなわち、W>W)である。図7(e)は、第2絶縁体328の幅Wがトレンチ構造が繰り返される実効周期の半分よりも小さい場合の例(すなわち、W<W)である。このように、第2絶縁体328の幅は実効周期の半分よりも大きくてもよく、小さくてもよい。 FIG. 7(d) is an example where the width W 2 of the second insulator 328 is greater than half the effective period of the repeating trench structure (ie, W 2 >W 1 ). FIG. 7(e) is an example where the width W3 of the second insulator 328 is less than half of the effective period of repeating the trench structure (that is, W3 < W1 ). Thus, the width of the second insulator 328 may be greater than or less than half the effective period.

図7(f)は、第2絶縁体328の高さが図7(a)の例よりも高い場合の例である。図7(g)は、第2絶縁体328の高さが図7(a)の例よりも低い場合の例である。これらのように、トレンチ構造における第2絶縁体328の高さは適宜設定され得る。 FIG. 7(f) is an example in which the height of the second insulator 328 is higher than the example in FIG. 7(a). FIG. 7(g) is an example in which the height of the second insulator 328 is lower than the example of FIG. 7(a). Like these, the height of the second insulator 328 in the trench structure can be appropriately set.

図7(h)は、第2絶縁体328が断面において三角形をなしている場合の例である。このように、トレンチ構造における第2絶縁体328の形状は長方形に限られない。トレンチ構造における第2絶縁体328の形状は、入射側が狭い逆テーパー状であってもよい。この場合、回折効果が強くなり、感度が向上し得る。また、トレンチ構造における第2絶縁体328の形状は、半球状、円弧状、階段状等であってもよい。この場合、トレンチ構造における屈折率の急峻な変化が抑えられることで不要な反射が低減され、感度が向上し得る。 FIG. 7(h) is an example in which the second insulator 328 has a triangular cross section. Thus, the shape of the second insulator 328 in the trench structure is not limited to rectangular. The shape of the second insulator 328 in the trench structure may be a reverse tapered shape with a narrow incident side. In this case, the diffraction effect becomes stronger and the sensitivity can be improved. Also, the shape of the second insulator 328 in the trench structure may be hemispherical, arcuate, stepped, or the like. In this case, the steep change in the refractive index in the trench structure is suppressed, thereby reducing unnecessary reflection and improving the sensitivity.

図8(a)及び図8(b)は、本実施形態に係るAPD201の平面模式図である。図8(a)に示されているように、第2絶縁体328は、平面視において、格子状に配されている。図8(a)においては、第2絶縁体328は、平面視において一様な周期である。しかしながら、第2絶縁体328は一様な周期でなくてもよい。図8(b)に示されているように、第2絶縁体328は外周に近いほど周期が大きい格子状をなしていてもよい。また、第2絶縁体328は、平面視においてランダムに配置されていてもよく、これにより回折光の角度分布が均一化される。 8A and 8B are schematic plan views of the APD 201 according to this embodiment. As shown in FIG. 8A, the second insulators 328 are arranged in a grid pattern in plan view. In FIG. 8(a), the second insulator 328 has a uniform period in plan view. However, the second insulator 328 need not be of uniform periodicity. As shown in FIG. 8(b), the second insulator 328 may have a grid shape with a larger period closer to the outer periphery. In addition, the second insulators 328 may be arranged randomly in a plan view, which makes the angular distribution of diffracted light uniform.

図8(a)及び図8(b)に示されているように2つのAPD201の間には、画素分離部324が配されている。絶縁層304で回折された光の一部が隣接するAPD201に向かって進む場合があるが、画素分離部324はそのような光が隣接するAPD201に入射される量を低減する。したがって、画素分離部324を配することにより、隣接画素へのクロストークが低減され得る。 A pixel separator 324 is arranged between the two APDs 201 as shown in FIGS. 8(a) and 8(b). Although some of the light diffracted by the insulating layer 304 may travel toward the adjacent APDs 201 , the pixel separators 324 reduce the amount of such light incident on the adjacent APDs 201 . Therefore, by arranging the pixel separation section 324, crosstalk to adjacent pixels can be reduced.

本実施形態では、光電変換部102は、APD201を含む例を挙げているが、光電変換部102は、APD以外のフォトダイオードを含むものであってもよく、APDを用いるものに限定されない。 Although the photoelectric conversion unit 102 includes the APD 201 in this embodiment, the photoelectric conversion unit 102 may include a photodiode other than the APD, and is not limited to using the APD.

[第2実施形態]
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態の説明において、第1実施形態と共通する要素については説明を省略することがある。
[Second embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described. In the description of the present embodiment, the description of elements common to the first embodiment may be omitted.

図9(a)及び図9(b)は、第2実施形態に係るAPD201の構造を示す図である。図9(a)は、第2実施形態に係るAPD201の断面模式図である。図9(b)は、第2実施形態に係るAPD201の平面模式図である。本実施形態のAPD201は、第5半導体領域315に凹凸構造329が配されている点で第1実施形態のAPD201と相違する。 9A and 9B are diagrams showing the structure of the APD 201 according to the second embodiment. FIG. 9A is a schematic cross-sectional view of the APD 201 according to the second embodiment. FIG. 9B is a schematic plan view of the APD 201 according to the second embodiment. The APD 201 of the present embodiment differs from the APD 201 of the first embodiment in that an uneven structure 329 is arranged in the fifth semiconductor region 315 .

凹凸構造329は、図9(b)に示されているように平面視において格子状をなしており、図9(a)に示されているように断面視において凹凸をなしているトレンチ構造である。凹凸構造329は、第1半導体領域311及び第7半導体領域317に平面視において重なるように形成され、凹凸構造329の重心位置は平面視においてアバランシェ増倍領域に内包される。図9(b)に示されているような格子状のトレンチ構造では、トレンチが交差する部分におけるトレンチ深さはトレンチが単独で延びる部分のトレンチ深さよりも深くなる。ただし、トレンチが交差する部分におけるトレンチの底部は、半導体層300の厚みの半分よりも入射側に近い位置にある。ここでトレンチ深さとは半導体層300の第1面からトレンチの底部までの深さであり、凹凸構造329の凹部の深さということもできる。 The concave-convex structure 329 has a lattice shape in a plan view as shown in FIG. 9B, and is a trench structure having concaves and convexes in a cross-sectional view as shown in FIG. 9A. be. The uneven structure 329 is formed so as to overlap the first semiconductor region 311 and the seventh semiconductor region 317 in plan view, and the center of gravity of the uneven structure 329 is included in the avalanche multiplication region in plan view. In a grid-like trench structure as shown in FIG. 9B, the trench depth at intersections of the trenches is greater than the trench depth at the portion where the trenches extend alone. However, the bottom of the trench where the trenches intersect is positioned closer to the incident side than half the thickness of the semiconductor layer 300 . Here, the trench depth is the depth from the first surface of the semiconductor layer 300 to the bottom of the trench, and can also be referred to as the depth of the concave portion of the concave-convex structure 329 .

凹凸構造329のトレンチ構造は第5半導体領域315とは異なる材料を含んで構成される。例えば第5半導体領域315の材料がシリコンである場合、トレンチ構造を構成する主な部材は、シリコンよりも屈折率が小さい酸化シリコン又は窒化シリコンであり得る。しかしながら、トレンチ構造には金属又は有機材料が含まれていてもよい。また、トレンチ構造の内部に空隙があってもよい。空隙は他の材料に比べて屈折率が小さいため、回折効果が向上し得る。トレンチは、例えば半導体層300に0.1μmから0.6μmの深さで形成される。入射光の回折を十分に高めるためには、トレンチの幅よりもトレンチの深さの方が大きいことが望ましい。ここでトレンチの幅とはトレンチ断面の重心部を通る平面における、ピニング層321と第3半導体領域313との界面からピニング層321と第3半導体領域313との界面までの幅であり、トレンチの深さとは光入射面からトレンチ底部までの深さである。 The trench structure of the uneven structure 329 contains a material different from that of the fifth semiconductor region 315 . For example, if the material of the fifth semiconductor region 315 is silicon, the main member forming the trench structure may be silicon oxide or silicon nitride, which has a lower refractive index than silicon. However, the trench structure may also contain metal or organic materials. Also, there may be voids inside the trench structure. Because the air gap has a lower refractive index than other materials, the diffraction effect can be improved. The trenches are formed, for example, in the semiconductor layer 300 to a depth of 0.1 μm to 0.6 μm. In order to sufficiently enhance the diffraction of incident light, it is desirable that the depth of the trench is greater than the width of the trench. Here, the width of the trench is the width from the interface between the pinning layer 321 and the third semiconductor region 313 to the interface between the pinning layer 321 and the third semiconductor region 313 on a plane passing through the center of gravity of the trench cross section. The depth is the depth from the light incident surface to the bottom of the trench.

凹凸構造329を配することによる効果とトレンチ構造周期の好適な例について説明する。APD201に光が入射すると、アバランシェ増倍領域においてアバランシェ発光が起こる場合がある。アバランシェ発光とは、アバランシェ増倍によって発生した多量の電子又はホールが極性の異なる電荷と再結合することによって光子が生じる現象である。アバランシェ発光によって生じた光子が隣り合う画素に漏れ込むことにより隣接画素において偽信号が生じ、画質の低下が生じることがある。 The effect of arranging the concave-convex structure 329 and a suitable example of the trench structure period will be described. When light enters the APD 201, avalanche light emission may occur in the avalanche multiplication region. Avalanche luminescence is a phenomenon in which photons are generated by recombination of a large amount of electrons or holes generated by avalanche multiplication with charges of different polarities. Photons generated by avalanche emission leak into adjacent pixels, which may cause false signals in the adjacent pixels and degrade image quality.

アバランシェ発光光のスペクトルは短波長から長波長まである程度の広がりを持つが、波長の短い成分は基板中での吸収長が短く、発光領域から近い位置において光電変換されるため、隣接画素に到達して偽信号を発生する確率が低い。一方で、波長の長い成分は基板中での吸収長が長く、発光領域からより遠い位置において偽信号を発生する確率が高いため、上述の画質低下の支配的な要因となる。このため、アバランシェ発光光のスペクトルのうち波長が最大となる成分を、前記の画質低下の代表的な要因と近似的にみなすことができる。アバランシェ発光の波長の最大値は基板材料のバンドギャップで決まり、hc/E(h:プランク定数[J・s]、c:光速[m/s]、E:基板のバンドギャップ[J])によって求められるものとする。例えば、センサ基板11がシリコンである場合、アバランシェ発光光の波長の最大値は1.1μm程度である。 The spectrum of avalanche emission light spreads to some extent from short wavelengths to long wavelengths, but short wavelength components have a short absorption length in the substrate and are photoelectrically converted at positions close to the light emitting region, so they do not reach adjacent pixels. low probability of generating false signals. On the other hand, long-wavelength components have a long absorption length in the substrate, and have a high probability of generating false signals at positions farther from the light-emitting region, which is a dominant factor in the deterioration of the image quality described above. For this reason, the component with the maximum wavelength in the spectrum of the avalanche emitted light can be approximately regarded as a representative factor of the deterioration of the image quality. The maximum value of the wavelength of avalanche emission is determined by the bandgap of the substrate material, hc/ Ea (h: Planck's constant [J s], c: speed of light [m/s], Ea : bandgap of substrate [J] ) shall be required by For example, when the sensor substrate 11 is made of silicon, the maximum wavelength of the avalanche emission light is about 1.1 μm.

凹凸構造329の実効周期がアバランシェ発光波長よりも大きい場合、アバランシェ発光光は凹凸構造329に対して粒子的にふるまう。基板深さに対する実効屈折率の変化が急峻になるため、アバランシェ発光光は凹凸構造329の底部で反射され、反射光は画素内で迷光となる。 When the effective period of the relief structure 329 is larger than the avalanche emission wavelength, the avalanche emission light behaves like a particle with respect to the relief structure 329 . Since the effective refractive index changes steeply with respect to the substrate depth, the avalanche emission light is reflected at the bottom of the uneven structure 329, and the reflected light becomes stray light within the pixel.

これに対し、凹凸構造329の周期がアバランシェ発光波長よりも小さい場合には、アバランシェ発光光は波動的にふるまう。半導体層300の深さに対する実効屈折率の変化が緩やかになるため、アバランシェ発光光の凹凸構造329の底部での反射が小さくなり、凹凸構造329に入射したアバランシェ発光光は基板外に向かって進むため、画素内の迷光が抑制される。このとき半導体層300の光入射面におけるアバランシェ発光光の光強度が高い光電変換素子中央部に凹凸構造329を配することでより効率的に迷光を抑制する効果が得られる。以上の理由により、凹凸構造329の周期は、hc/Eよりも小さいことが望ましく、より好適に迷光を抑制する効果が得られ、画素間のクロストークを低減することができる。言い換えると、トレンチの幅は、hc/2Eよりも小さいことが望ましい。 On the other hand, when the period of the uneven structure 329 is smaller than the avalanche emission wavelength, the avalanche emission light behaves wave-like. Since the change in the effective refractive index with respect to the depth of the semiconductor layer 300 becomes moderate, the reflection of the avalanche emission light at the bottom of the uneven structure 329 is reduced, and the avalanche emission light incident on the uneven structure 329 travels toward the outside of the substrate. Therefore, stray light within the pixel is suppressed. At this time, by arranging the concave-convex structure 329 in the center of the photoelectric conversion element where the light intensity of the avalanche emission light on the light incident surface of the semiconductor layer 300 is high, the effect of suppressing stray light can be obtained more efficiently. For the above reasons, the period of the concave-convex structure 329 is preferably smaller than hc/ Ea , so that the effect of suppressing stray light can be obtained more preferably, and crosstalk between pixels can be reduced. In other words, the width of the trench should be less than hc/ 2Ea .

以上のように、半導体層300に凹凸構造329を形成することで、クロストークを低減する効果が得られるものの、第1実施形態においても述べたように、半導体層300の表面の凹凸は暗電流ノイズの原因になることがある。これに対し、本実施形態では、半導体層300の凹凸構造329に加えて、絶縁層304に配された第1絶縁体327及び第2絶縁体328による凹凸構造を更に有している。この絶縁層304内のトレンチ構造も凹凸構造329と同様のメカニズムによりクロストーク低減効果を有し得る。そこで、本実施形態では、半導体層300の凹凸構造329と第1絶縁体327及び第2絶縁体328による凹凸構造が併用されている。これにより、第1絶縁体327及び第2絶縁体328による凹凸構造がない場合と比べて凹凸構造329の面積が少なくても十分なクロストーク低減効果を得ることができるため、凹凸構造329の面積を削減して暗電流ノイズを低減することができる。 As described above, by forming the uneven structure 329 in the semiconductor layer 300, an effect of reducing crosstalk can be obtained. It may cause noise. On the other hand, in this embodiment, in addition to the uneven structure 329 of the semiconductor layer 300 , the uneven structure is further provided by the first insulator 327 and the second insulator 328 arranged on the insulating layer 304 . The trench structure in this insulating layer 304 can also have the effect of reducing crosstalk by the same mechanism as the uneven structure 329 . Therefore, in this embodiment, the uneven structure 329 of the semiconductor layer 300 and the uneven structure of the first insulator 327 and the second insulator 328 are used together. As a result, a sufficient crosstalk reduction effect can be obtained even if the area of the uneven structure 329 is smaller than when there is no uneven structure by the first insulator 327 and the second insulator 328. Therefore, the area of the uneven structure 329 is reduced. can be reduced to reduce dark current noise.

本実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果が得られることに加え、画素間のクロストークが低減された光電変換装置が提供される。 According to this embodiment, in addition to obtaining the same effects as in the first embodiment, a photoelectric conversion device with reduced crosstalk between pixels is provided.

反射防止層325には、凹凸構造329の実効屈折率よりも低い材料が用いられることが望ましい。ここで実効屈折率とはトレンチが形成された基板とトレンチ内を埋め込む部材とを合わせた凹凸構造329全体の実質的な屈折率である。例えば半導体層300は屈折率が4のシリコンであり、第1絶縁体327は屈折率が1.5程度の酸化シリコンである場合、凹凸構造329の実効屈折率は2.8から3.8程度である。この場合、反射防止層325には屈折率が2程度である酸化タンタルが用いられ得る。半導体層300と第1絶縁体327の間に反射防止層325を配することにより、半導体層300から第1絶縁体327にかけての屈折率の変化をなだらかにすることができる。これにより、アバランシェ発光光の半導体層裏面での反射を防ぎ、アバランシェ発光光によるクロストークをより低減することができる。 The antireflection layer 325 is desirably made of a material whose effective refractive index is lower than that of the uneven structure 329 . Here, the effective refractive index is the substantial refractive index of the entire concave-convex structure 329 including the substrate in which the trench is formed and the member filling the trench. For example, when the semiconductor layer 300 is silicon with a refractive index of 4 and the first insulator 327 is silicon oxide with a refractive index of about 1.5, the effective refractive index of the uneven structure 329 is about 2.8 to 3.8. is. In this case, tantalum oxide having a refractive index of about 2 can be used for the antireflection layer 325 . By disposing the antireflection layer 325 between the semiconductor layer 300 and the first insulator 327, the refractive index change from the semiconductor layer 300 to the first insulator 327 can be smoothed. As a result, it is possible to prevent reflection of the avalanche emission light on the back surface of the semiconductor layer and further reduce crosstalk due to the avalanche emission light.

[第3実施形態]
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態の説明において、第1実施形態と共通する要素については説明を省略することがある。
[Third embodiment]
A third embodiment of the present invention will be described. In the description of the present embodiment, the description of elements common to the first embodiment may be omitted.

図10は、本実施形態に係るAPD201の断面模式図である。本実施形態のAPD201は、絶縁層304の第1絶縁体327の内部に遮光部330が配されている点で第1実施形態のAPD201と相違する。なお、遮光部330には、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、窒化タングステン(WN)等の材料を含む金属膜が用いられる。遮光部330は、上述の材料の単層膜であってもよく、これらの材料を含む積層膜であってもよい。例えば、遮光部330には、チタンとタングステンの積層膜、窒化チタンとタングステンの積層膜等が用いられ得る。 FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the APD 201 according to this embodiment. The APD 201 of the present embodiment differs from the APD 201 of the first embodiment in that the light shielding portion 330 is arranged inside the first insulator 327 of the insulating layer 304 . A metal film containing materials such as titanium (Ti), titanium nitride (TiN), tungsten (W), aluminum (Al), and tungsten nitride (WN) is used for the light shielding portion 330 . The light shielding portion 330 may be a single layer film of the above materials, or may be a laminated film containing these materials. For example, the light shielding portion 330 may be made of a laminated film of titanium and tungsten, a laminated film of titanium nitride and tungsten, or the like.

本実施形態では、2つのAPD201の間の絶縁層内に遮光部330を配することにより、第1絶縁体327及び第2絶縁体328によるトレンチ構造で回折された光の一部が遮蔽される。これにより、上述の回折光が隣接画素に入ることによるクロストークが低減される。遮光部330は、第1絶縁体327及び第2絶縁体328によるトレンチ構造の上端(第1面から最も遠い端部)が遮光部330の下端(第1面に最も近い端部)よりも高くなるように配することがより望ましい。これにより、回折光がより遮蔽されやすくなるため、隣接画素へのクロストークを低減する効果が向上する。 In this embodiment, by arranging the light shielding part 330 in the insulating layer between the two APDs 201, part of the light diffracted by the trench structure of the first insulator 327 and the second insulator 328 is shielded. . This reduces the crosstalk caused by the above-described diffracted light entering adjacent pixels. In the light shielding part 330, the upper end (end farthest from the first surface) of the trench structure formed by the first insulator 327 and the second insulator 328 is higher than the lower end (end closest to the first surface) of the light shielding part 330. It is more desirable to arrange As a result, the diffracted light is more likely to be shielded, thereby improving the effect of reducing crosstalk to adjacent pixels.

本実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果が得られることに加え、画素間のクロストークが低減された光電変換装置が提供される。 According to this embodiment, in addition to obtaining the same effects as in the first embodiment, a photoelectric conversion device with reduced crosstalk between pixels is provided.

[第4実施形態]
本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態の説明において、第1実施形態と共通する要素については説明を省略することがある。
[Fourth embodiment]
A fourth embodiment of the present invention will be described. In the description of the present embodiment, the description of elements common to the first embodiment may be omitted.

図11は、本実施形態に係るAPD201の断面模式図である。本実施形態のAPD201は、絶縁層304に第1絶縁体327及び第2絶縁体328に加えて第2絶縁体331が配されている点で第1実施形態のAPD201と相違する。第1絶縁体327及び第2絶縁体331は、周期的にパターニングされたトレンチ構造をなしている。第1絶縁体327及び第2絶縁体331がなすトレンチ構造(第2層)は、第1絶縁体327及び第2絶縁体328がなすトレンチ構造(第1層)よりも入射側に配されている。言い換えると、絶縁層304には深さ方向に2層のトレンチ構造が配されている。第2絶縁体331の材料は第2絶縁体328の材料と同様の観点により選定され得る。第2絶縁体331の材料は第2絶縁体328の材料と同一の材料であってもよく、異なる材料であってもよい。 FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the APD 201 according to this embodiment. The APD 201 of the present embodiment differs from the APD 201 of the first embodiment in that a second insulator 331 is arranged in the insulating layer 304 in addition to the first insulator 327 and the second insulator 328 . The first insulator 327 and the second insulator 331 form a periodically patterned trench structure. The trench structure (second layer) formed by the first insulator 327 and the second insulator 331 is arranged on the incident side of the trench structure (first layer) formed by the first insulator 327 and the second insulator 328. there is In other words, the insulating layer 304 has a two-layer trench structure arranged in the depth direction. The material of the second insulator 331 can be selected from the same viewpoint as the material of the second insulator 328 . The material of the second insulator 331 may be the same material as the material of the second insulator 328, or may be a different material.

図11に示されている例では絶縁層304には深さ方向に2層のトレンチ構造が配されているが、トレンチ構造は3層以上であってもよい。 In the example shown in FIG. 11, the insulating layer 304 has a two-layer trench structure arranged in the depth direction, but the trench structure may have three or more layers.

図11に示されている例では第2絶縁体328と第2絶縁体331は、断面視において横方向にずれた位置に配されている。すなわち、これらは平面視において重ならない位置に配されている。しかしながら第2絶縁体328と第2絶縁体331は、断面視において横方向に同じ位置に配されていてもよい。すなわち、これらは平面視において重なる位置に配されていてもよい。 In the example shown in FIG. 11, the second insulator 328 and the second insulator 331 are arranged at laterally shifted positions when viewed in cross section. That is, they are arranged at positions that do not overlap in plan view. However, the second insulator 328 and the second insulator 331 may be arranged at the same position in the lateral direction when viewed in cross section. That is, they may be arranged at overlapping positions in plan view.

本実施形態では、入射された光が、第1絶縁体327及び第2絶縁体331がなすトレンチ構造で回折を起こす。その回折光は、次に第1絶縁体327及び第2絶縁体328がなすトレンチ構造で回折を起こす。このように、複数回の回折が起きることによって、第1実施形態の構成よりも大きな回折効果が得られる。本実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果が得られることに加え、より感度が向上され得る光電変換装置が提供される。 In this embodiment, incident light is diffracted by the trench structure formed by the first insulator 327 and the second insulator 331 . The diffracted light is then diffracted in the trench structure formed by the first insulator 327 and the second insulator 328 . In this way, a diffraction effect greater than that of the configuration of the first embodiment can be obtained by causing multiple diffractions. According to the present embodiment, in addition to obtaining the same effects as in the first embodiment, a photoelectric conversion device capable of further improving the sensitivity is provided.

[第5実施形態]
本発明の第5実施形態について説明する。本実施形態の説明において、第1実施形態又は第4実施形態と共通する要素については説明を省略することがある。
[Fifth embodiment]
A fifth embodiment of the present invention will be described. In the description of this embodiment, the description of elements common to the first embodiment or the fourth embodiment may be omitted.

図12は、本実施形態に係るAPD201の断面模式図である。本実施形態のAPD201は、2層のトレンチ構造が形成されている点は第4実施形態と同様である。しかしながら、本実施形態のAPD201は、反射防止層326が第2絶縁体331の機能を兼ねている点で第4実施形態のAPD201と相違する。 FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the APD 201 according to this embodiment. The APD 201 of this embodiment is similar to that of the fourth embodiment in that a two-layer trench structure is formed. However, the APD 201 of this embodiment differs from the APD 201 of the fourth embodiment in that the antireflection layer 326 also functions as the second insulator 331 .

反射防止層326は、第1絶縁体327に形成されたトレンチを埋めるように成膜される。これにより、第1絶縁体327及び反射防止層326は、周期的にパターニングされたトレンチ構造をなしている。反射防止層326の材料は第2絶縁体328の材料と同様の観点により選定され得る。反射防止層326の材料は第2絶縁体328の材料と同一の材料であってもよく、異なる材料であってもよい。 The antireflection layer 326 is deposited so as to fill the trenches formed in the first insulator 327 . Thus, the first insulator 327 and the antireflection layer 326 form a periodically patterned trench structure. The material of the antireflection layer 326 can be selected from the same viewpoint as the material of the second insulator 328 . The material of the antireflection layer 326 may be the same material as the material of the second insulator 328, or may be a different material.

本実施形態では、入射された光が、第1絶縁体327及び反射防止層326がなすトレンチ構造で回折を起こす。その回折光は、次に第1絶縁体327及び第2絶縁体328がなすトレンチ構造で回折を起こす。このように、複数回の回折が起きることによって、第1実施形態の構成よりも大きな回折効果が得られる。本実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果が得られることに加え、より感度が向上され得る光電変換装置が提供される。 In this embodiment, incident light is diffracted in the trench structure formed by the first insulator 327 and the antireflection layer 326 . The diffracted light is then diffracted in the trench structure formed by the first insulator 327 and the second insulator 328 . In this way, a diffraction effect greater than that of the configuration of the first embodiment can be obtained by causing multiple diffractions. According to the present embodiment, in addition to obtaining the same effects as in the first embodiment, a photoelectric conversion device capable of further improving the sensitivity is provided.

[第6実施形態]
本発明の第6実施形態に係る光検出システムについて、図13を用いて説明する。図13は、本実施形態に係る光検出システムのブロック図である。本実施形態の光検出システムは、入射光に基づく画像を取得する撮像システムである。
[Sixth embodiment]
A photodetection system according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a block diagram of a photodetection system according to this embodiment. The photodetection system of this embodiment is an imaging system that acquires an image based on incident light.

上述の実施形態における光電変換装置は種々の撮像システムに適用可能である。撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、カメラヘッド、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星、監視カメラ等があげられる。図13に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。 The photoelectric conversion devices in the above-described embodiments are applicable to various imaging systems. Examples of imaging systems include digital still cameras, digital camcorders, camera heads, copiers, facsimiles, mobile phones, on-vehicle cameras, observation satellites, surveillance cameras, and the like. FIG. 13 shows a block diagram of a digital still camera as an example of an imaging system.

図13に示す撮像システム7は、バリア706、レンズ702、絞り704、撮像装置70、信号処理部708、タイミング発生部720、全体制御・演算部718、メモリ部710、記録媒体制御I/F部716、記録媒体714、外部I/F部712を含む。バリア706はレンズを保護し、レンズ702は被写体の光学像を撮像装置70に結像させる。絞り704はレンズ702を通った光量を可変にする。撮像装置70は上述の実施形態の光電変換装置のように構成され、レンズ702により結像された光学像を画像データに変換する。信号処理部708は撮像装置70より出力された撮像データに各種の補正、データ圧縮等の処理を行う。 The imaging system 7 shown in FIG. 13 includes a barrier 706, a lens 702, an aperture 704, an imaging device 70, a signal processing unit 708, a timing generation unit 720, an overall control/calculation unit 718, a memory unit 710, and a recording medium control I/F unit. 716 , a recording medium 714 and an external I/F section 712 . A barrier 706 protects the lens, and a lens 702 forms an optical image of the subject on the imaging device 70 . A diaphragm 704 varies the amount of light passing through the lens 702 . The imaging device 70 is configured like the photoelectric conversion device of the above-described embodiment, and converts an optical image formed by the lens 702 into image data. A signal processing unit 708 performs processing such as various corrections and data compression on the imaging data output from the imaging device 70 .

タイミング発生部720は、撮像装置70及び信号処理部708に、各種タイミング信号を出力する。全体制御・演算部718はデジタルスチルカメラ全体を制御し、メモリ部710は画像データを一時的に記憶する。記録媒体制御I/F部716は記録媒体714に画像データの記録又は読み出しを行うためのインターフェースであり、記録媒体714は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。外部I/F部712は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェースである。タイミング信号等は撮像システム7の外部から入力されてもよく、撮像システム7は、少なくとも撮像装置70と、撮像装置70から出力された画像信号を処理する信号処理部708とを有すればよい。 The timing generator 720 outputs various timing signals to the imaging device 70 and the signal processor 708 . A general control/calculation unit 718 controls the entire digital still camera, and a memory unit 710 temporarily stores image data. A recording medium control I/F unit 716 is an interface for recording or reading image data on a recording medium 714. The recording medium 714 is a removable recording medium such as a semiconductor memory for recording or reading image data. is. An external I/F unit 712 is an interface for communicating with an external computer or the like. The timing signal and the like may be input from the outside of the imaging system 7 , and the imaging system 7 only needs to have at least the imaging device 70 and the signal processing section 708 that processes the image signal output from the imaging device 70 .

本実施形態では、撮像装置70と信号処理部708とが同一の半導体基板に配されていてもよい。また、撮像装置70と信号処理部708とが別の半導体基板に配されていてもよい。 In this embodiment, the imaging device 70 and the signal processing unit 708 may be arranged on the same semiconductor substrate. Also, the imaging device 70 and the signal processing unit 708 may be arranged on different semiconductor substrates.

また、撮像装置70のそれぞれの画素が第1光電変換部と、第2光電変換部を含んでもよい。信号処理部708は、第1光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号と、第2光電変換部で生じた電荷に基づく画素信号とを処理し、撮像装置70から被写体までの距離情報を取得し得る。 Also, each pixel of the imaging device 70 may include a first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit. A signal processing unit 708 processes pixel signals based on charges generated in the first photoelectric conversion unit and pixel signals based on charges generated in the second photoelectric conversion unit, and acquires distance information from the imaging device 70 to the subject. can.

[第7実施形態]
図14は、本実施形態に係る光検出システムのブロック図である。より具体的には、図14は、上述の実施形態に記載の光電変換装置を用いた距離画像センサのブロック図である。
[Seventh embodiment]
FIG. 14 is a block diagram of a photodetection system according to this embodiment. More specifically, FIG. 14 is a block diagram of a distance image sensor using the photoelectric conversion device described in the above embodiments.

図14に示すように、距離画像センサ401は、光学系402、光電変換装置403、画像処理回路404、モニタ405及びメモリ406を備える。距離画像センサ401は、光源装置411から被写体に向かって発光され、被写体の表面で反射された光(変調光、パルス光)を受光する。距離画像センサ401は、発光から受光までの時間に基づき、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。 As shown in FIG. 14, the distance image sensor 401 includes an optical system 402, a photoelectric conversion device 403, an image processing circuit 404, a monitor 405 and a memory 406. The distance image sensor 401 receives light (modulated light, pulsed light) emitted from the light source device 411 toward the subject and reflected from the surface of the subject. The distance image sensor 401 can acquire a distance image corresponding to the distance to the subject based on the time from light emission to light reception.

光学系402は、1枚又は複数枚のレンズを含み、被写体からの像光(入射光)を光電変換装置403に導き、光電変換装置403の受光面(センサ部)に結像させる。 The optical system 402 includes one or more lenses, guides image light (incident light) from a subject to the photoelectric conversion device 403 , and forms an image on the light receiving surface (sensor unit) of the photoelectric conversion device 403 .

光電変換装置403としては、上述した各実施形態の光電変換装置が適用され得る。光電変換装置403は、受光信号から求められる距離を示す距離信号を画像処理回路404に供給する。 As the photoelectric conversion device 403, the photoelectric conversion device of each embodiment described above can be applied. The photoelectric conversion device 403 supplies the image processing circuit 404 with a distance signal indicating the distance obtained from the received light signal.

画像処理回路404は、光電変換装置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。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に表示され、メモリ406に記憶(記録)され得る。 The image processing circuit 404 performs image processing to construct a distance image based on the distance signal supplied from the photoelectric conversion device 403 . A distance image (image data) obtained by image processing can be displayed on the monitor 405 and stored (recorded) in the memory 406 .

このように構成されている距離画像センサ401は、上述した光電変換装置を適用することで、正確な距離画像を取得することができる。 The distance image sensor 401 configured in this way can obtain an accurate distance image by applying the photoelectric conversion device described above.

[第8実施形態]
本開示に係る技術は、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、光検出システムの一例である内視鏡手術システムに適用されてもよい。
[Eighth Embodiment]
The technology according to the present disclosure can be applied to various products. For example, the technology according to the present disclosure may be applied to an endoscopic surgery system, which is an example of a light detection system.

図15は、本実施形態における内視鏡手術システムの概略図である。図15は、術者(医師)1131が、内視鏡手術システム1103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を示している。図示するように、内視鏡手術システム1103は、内視鏡1100、術具1110、アーム1121、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を備える。 FIG. 15 is a schematic diagram of an endoscopic surgery system according to this embodiment. FIG. 15 shows an operator (doctor) 1131 performing surgery on a patient 1132 on a patient bed 1133 using an endoscopic surgery system 1103 . As illustrated, the endoscopic surgery system 1103 includes an endoscope 1100, a surgical instrument 1110, an arm 1121, and a cart 1134 loaded with various devices for endoscopic surgery.

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とを備える。図15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。 An endoscope 1100 includes a lens barrel 1101 whose distal end is inserted into a body cavity of a patient 1132 and a camera head 1102 connected to the proximal end of the lens barrel 1101 . Although FIG. 15 shows an endoscope 1100 configured as a so-called rigid scope having a rigid barrel 1101, the endoscope 1100 may be configured as a so-called flexible scope having a flexible barrel.

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が接続されている。光源装置1203によって生成された光は、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く、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。 The tip of the lens barrel 1101 is provided with an opening into which an objective lens is fitted. A light source device 1203 is connected to the endoscope 1100 . The light generated by the light source device 1203 is guided to the tip of the barrel 1101 by a light guide extending inside the barrel 1101, and radiates toward the observation target inside the body cavity of the patient 1132 through the objective lens. be done. Note that the endoscope 1100 may be a straight scope, a perspective scope, or a side scope.

カメラヘッド1102の内部には光学系及び光電変換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電変換装置に集光される。光電変換装置によって観察光は光電変換され、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。光電変換装置としては、上述の各実施形態に記載の光電変換装置が用いられ得る。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。 An optical system and a photoelectric conversion device are provided inside the camera head 1102, and reflected light (observation light) from an observation target is collected by the optical system on the photoelectric conversion device. The photoelectric conversion device photoelectrically converts the observation light to generate an electrical signal corresponding to the observation light, that is, an image signal corresponding to the observation image. As the photoelectric conversion device, the photoelectric conversion device described in each of the above-described embodiments can be used. The image signal is transmitted to a camera control unit (CCU: Camera Control Unit) 1135 as RAW data.

CCU1135は、CPU(Central Processing Unit)、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。更に、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、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。 The CCU 1135 is composed of a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphics Processing Unit), etc., and controls the operations of the endoscope 1100 and the display device 1136 in an integrated manner. Further, the CCU 1135 receives an image signal from the camera head 1102 and performs various image processing such as development processing (demosaicing) for displaying an image based on the image signal.

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。 The display device 1136 displays an image based on an image signal subjected to image processing by the CCU 1135 under the control of the CCU 1135 .

光源装置1203は、例えばLED(Light Emitting Diode)等の光源を備え、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡1100に供給する。 The light source device 1203 includes a light source such as an LED (Light Emitting Diode), and supplies the endoscope 1100 with irradiation light for imaging a surgical site or the like.

入力装置1137は、内視鏡手術システム1103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1103に対して各種の情報の入力及び指示入力を行うことができる。 Input device 1137 is an input interface for endoscopic surgery system 1103 . The user can input various information and instructions to the endoscopic surgery system 1103 via the input device 1137 .

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。 The treatment instrument control device 1138 controls driving of the energy treatment instrument 1112 for tissue cauterization, incision, blood vessel sealing, or the like.

光源装置1203は、内視鏡1100に術部を撮影する際の照射光を供給可能であって、例えばLED、レーザ光源又はこれらの組み合わせによる白色光源であり得る。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。このため、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してもよい。これにより、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。このような方法によれば、撮像素子にカラーフィルタが設けられることなく、カラー画像を得ることができる。 The light source device 1203 can supply illumination light to the endoscope 1100 when imaging the surgical site, and may be, for example, a white light source such as an LED, a laser light source, or a combination thereof. When a white light source is configured by combining RGB laser light sources, the output intensity and output timing of each color (each wavelength) can be controlled with high accuracy. Therefore, the light source device 1203 can adjust the white balance of the captured image. In this case, laser light from each of the RGB laser light sources may be applied to the observation target in a time division manner, and driving of the image sensor of the camera head 1102 may be controlled in synchronization with the irradiation timing. Thereby, it is also possible to capture images corresponding to each of RGB in a time-division manner. According to such a method, a color image can be obtained without providing a color filter in the imaging device.

また、光源装置1203から出力される光の強度が所定の時間ごとに変更されるように、光源装置1203の駆動が制御されてもよい。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。 Further, driving of the light source device 1203 may be controlled such that the intensity of light output from the light source device 1203 is changed at predetermined intervals. By controlling the drive of the imaging device of the camera head 1102 in synchronization with the timing of changing the light intensity to acquire images in a time division manner and synthesizing the images, a high dynamic range without so-called underexposure and overexposure can be achieved. image can be generated.

更に、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ことができる。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1203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。 Furthermore, the light source device 1203 may be configured to be able to supply light in a predetermined wavelength band corresponding to special light observation. In special light observation, for example, the wavelength dependence of light absorption in body tissues can be used. Specifically, a predetermined tissue such as a blood vessel on the surface of the mucous membrane is imaged with high contrast by irradiating light with a narrower band than the irradiation light (that is, white light) used during normal observation. Alternatively, in special light observation, fluorescence observation may be performed in which an image is obtained from fluorescence generated by irradiation with excitation light. In fluorescence observation, body tissue is irradiated with excitation light and fluorescence from the body tissue is observed, or a reagent such as indocyanine green (ICG) is locally injected into the body tissue and the fluorescence wavelength of the reagent is observed in the body tissue. It is possible to obtain a fluorescent image by irradiating excitation light corresponding to . The light source device 1203 can be configured to supply narrowband light and/or excitation light corresponding to such special light observation.

[第9実施形態]
本実施形態の光検出システム及び移動体について、図16、図17(a)、図17(b)、図17(c)及び図18を用いて説明する。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。
[Ninth Embodiment]
A photodetection system and a moving object according to this embodiment will be described with reference to FIGS. In this embodiment, an example of an in-vehicle camera is shown as a light detection system.

図16は、本実施形態における光検出システムの概略図であって、車両システム及び車両システムに搭載される光検出システムの一例を示している。光検出システム1301は、光電変換装置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、光電変換装置1302に被写体の光学像を結像する。光電変換装置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。光電変換装置1302は、上述の各実施形態のいずれかの光電変換装置である。画像前処理部1315は、光電変換装置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、光電変換装置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、光電変換装置1302及び画像前処理部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。 FIG. 16 is a schematic diagram of a photodetection system according to the present embodiment, showing an example of a vehicle system and a photodetection system mounted on the vehicle system. The photodetection system 1301 includes a photoelectric conversion device 1302 , an image preprocessing unit 1315 , an integrated circuit 1303 and an optical system 1314 . An optical system 1314 forms an optical image of a subject on the photoelectric conversion device 1302 . The photoelectric conversion device 1302 converts the optical image of the subject formed by the optical system 1314 into an electrical signal. The photoelectric conversion device 1302 is the photoelectric conversion device according to any one of the embodiments described above. An image preprocessing unit 1315 performs predetermined signal processing on the signal output from the photoelectric conversion device 1302 . The functions of the image preprocessing unit 1315 may be incorporated within the photoelectric conversion device 1302 . The photodetection system 1301 is provided with at least two sets of an optical system 1314, a photoelectric conversion device 1302, and an image preprocessing unit 1315, and the output from each set of image preprocessing units 1315 is input to an integrated circuit 1303. .

集積回路1303は、撮像システム用途向けの集積回路であり、記憶媒体1305を含む画像処理部1304、光学測距部1306、視差演算部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、欠陥補正等の画像処理を行う。記憶媒体1305は、撮像画像の一次記憶を行い、撮像画素の欠陥位置を格納する。光学測距部1306は、被写体の合焦又は測距を行う。視差演算部1307は、複数の光電変換装置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、光電変換装置1302の異常を検出すると、主制御部1313に異常を発報する。 The integrated circuit 1303 is an integrated circuit for use in imaging systems, and includes an image processing unit 1304 including a storage medium 1305 , an optical distance measurement unit 1306 , a parallax calculation unit 1307 , an object recognition unit 1308 and an abnormality detection unit 1309 . An image processing unit 1304 performs image processing such as development processing and defect correction on the output signal of the image preprocessing unit 1315 . A storage medium 1305 temporarily stores captured images and stores defect positions of captured pixels. An optical distance measurement unit 1306 performs focusing or distance measurement on a subject. A parallax calculation unit 1307 calculates ranging information from a plurality of image data acquired by a plurality of photoelectric conversion devices 1302 . The object recognition unit 1308 recognizes subjects such as cars, roads, signs, and people. When the abnormality detection unit 1309 detects an abnormality in the photoelectric conversion device 1302, the abnormality detection unit 1309 notifies the main control unit 1313 of the abnormality.

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)、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。 The integrated circuit 1303 may be realized by specially designed hardware, software modules, or a combination thereof. Moreover, it may be implemented by FPGA (Field Programmable Gate Array), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or the like, or by a combination thereof.

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、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例えばCAN規格によって行ってもよい。 The main control unit 1313 integrates and controls the operations of the light detection system 1301, the vehicle sensor 1310, the control unit 1320, and the like. The light detection system 1301, the vehicle sensor 1310, and the control unit 1320 may individually have communication interfaces without the main control unit 1313, and each may transmit and receive control signals via a communication network according to, for example, the CAN standard.

集積回路1303は、主制御部1313からの制御信号を受け、あるいは自身の制御部によって、光電変換装置1302へ制御信号又は設定値を送信する機能を有する。 The integrated circuit 1303 has a function of receiving a control signal from the main control unit 1313 or transmitting a control signal or setting value to the photoelectric conversion device 1302 by its own control unit.

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、舵角等の自車両走行状態、自車外環境及び他車・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部でもある。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、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。 The light detection system 1301 is connected to a vehicle sensor 1310, and is capable of detecting vehicle running conditions such as vehicle speed, yaw rate, and steering angle, the environment outside the vehicle, and the conditions of other vehicles and obstacles. Vehicle sensor 1310 also serves as a distance information acquisition unit that acquires distance information to an object. The light detection system 1301 is also connected to a driving support control unit 1311 that performs various driving support functions such as automatic steering, automatic cruise, and anti-collision functions. In particular, regarding the collision determination function, based on the detection results of the light detection system 1301 and the vehicle sensor 1310, it is possible to estimate a collision with another vehicle/obstacle and determine whether or not there is a collision. As a result, avoidance control when a collision is presumed and safety device activation at the time of collision are performed.

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等の車両制御を行い、衝突の回避又は被害の軽減を実現する。警報装置1312は、音等の警報の発報、カーナビゲーションシステム及びメーターパネル等の表示部画面における警報情報の表示、シートベルト及びステアリングへの振動付与等の手段を用いて、ユーザに警告を発する。 The light detection system 1301 is also connected to an alarm device 1312 that issues an alarm to the driver based on the judgment result of the collision judgment unit. For example, when the collision possibility is high as a result of the judgment by the collision judging section, the main control section 1313 performs vehicle control such as applying the brakes, releasing the accelerator, and suppressing the engine output to avoid the collision or reduce the damage. come true. The alarm device 1312 issues an alarm such as sound, displays alarm information on a display unit screen such as a car navigation system and a meter panel, and applies vibration to a seat belt and a steering wheel to warn the user. .

本実施形態における光検出システム1301は、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮影可能である。図17(a)、図17(b)及び図17(c)は、本実施形態における移動体の概略図であって、車両前方を光検出システム1301で撮像する構成を示している。 The light detection system 1301 in this embodiment can photograph the surroundings of the vehicle, for example, the front or rear. 17(a), 17(b), and 17(c) are schematic diagrams of a moving body according to the present embodiment, showing a configuration for capturing an image in front of the vehicle with a light detection system 1301. FIG.

2つの光電変換装置1302は、車両1300の前方に配される。具体的には、車両1300の進退方位又は外形(例えば車幅)に対する中心線を対称軸とみなし、対称軸に対して2つの光電変換装置1302が線対称に配されることが好ましい。これにより、車両1300と被写対象物との間の距離情報の取得及び衝突可能性の判定を効果的に行うことが可能となる。また、光電変換装置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位置に配されることが好ましい。警報装置1312は、運転者の視野に入りやすい位置に配されることが好ましい。 Two photoelectric conversion devices 1302 are arranged in front of the vehicle 1300 . Specifically, it is preferable that the center line of the vehicle 1300 with respect to the forward/retreat orientation or the outer shape (for example, the width of the vehicle) is regarded as the axis of symmetry, and the two photoelectric conversion devices 1302 are arranged line-symmetrically with respect to the axis of symmetry. This makes it possible to effectively acquire distance information between the vehicle 1300 and the subject and determine the possibility of collision. Moreover, photoelectric conversion device 1302 is preferably arranged at a position that does not obstruct the driver's field of view when the driver visually recognizes the situation outside vehicle 1300 from the driver's seat. It is preferable that the warning device 1312 be arranged at a position that is easily visible to the driver.

次に、光検出システム1301における光電変換装置1302の故障検出動作について、図18を用いて説明する。図18は、本実施形態における光検出システムの動作を表すフローチャートである。光電変換装置1302の故障検出動作は、図18に示すステップS1410~S1480に従って実行され得る。 Next, failure detection operation of the photoelectric conversion device 1302 in the photodetection system 1301 will be described with reference to FIG. FIG. 18 is a flow chart showing the operation of the photodetection system in this embodiment. The failure detection operation of photoelectric conversion device 1302 can be performed according to steps S1410 to S1480 shown in FIG.

ステップS1410において、光電変換装置1302のスタートアップ時の設定が行われる。すなわち、光検出システム1301の外部(例えば主制御部1313)又は光検出システム1301の内部から、光電変換装置1302の動作のための設定情報が送信され、光電変換装置1302は撮像動作及び故障検出動作を開始する。 In step S1410, startup settings of the photoelectric conversion device 1302 are performed. That is, the setting information for the operation of the photoelectric conversion device 1302 is transmitted from the outside of the photodetection system 1301 (for example, the main control unit 1313) or the inside of the photodetection system 1301, and the photoelectric conversion device 1302 performs the imaging operation and the failure detection operation. to start.

次いで、ステップS1420において、光電変換装置1302は、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、光電変換装置1302は、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素子を備える。この光電変換素子には、所定の電圧が書き込まれる。故障検出用画素は、この光電変換素子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とは逆の順に実行されてもよい。 Next, in step S1420, the photoelectric conversion device 1302 acquires pixel signals from effective pixels. Also, in step S1430, the photoelectric conversion device 1302 acquires an output value from a failure detection pixel provided for failure detection. This failure detection pixel has a photoelectric conversion element like an effective pixel. A predetermined voltage is written in the photoelectric conversion element. The failure detection pixel outputs a signal corresponding to the voltage written to the photoelectric conversion element. Note that steps S1420 and S1430 may be executed in the reverse order.

次いで、ステップS1440において、光検出システム1301は、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、光検出システム1301は、ステップS1450の処理に移行し、撮像動作が正常に行われていると判定し、ステップS1460の処理へと移行する。ステップS1460において、光検出システム1301は、走査行の画素信号を記憶媒体1305に送信して一次保存する。その後、光検出システム1301は、ステップS1420の処理に戻り、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、光検出システム1301はステップS1470の処理に移行する。ステップS1470において、光検出システム1301は、撮像動作に異常があると判定し、主制御部1313又は警報装置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、光検出システム1301は、光電変換装置1302を停止し、光検出システム1301の動作を終了する。 Next, in step S1440, the photodetection system 1301 determines whether the expected output value of the failure-detected pixel and the actual output value from the failure-detected pixel match. As a result of the pertinence determination in step S1440, if the expected output value and the actual output value match, the photodetection system 1301 proceeds to the process of step S1450 and determines that the imaging operation is performed normally. Then, the process proceeds to step S1460. In step S1460, the photodetection system 1301 transmits the pixel signals of the scan line to the storage medium 1305 for temporary storage. After that, the photodetection system 1301 returns to the process of step S1420 and continues the failure detection operation. On the other hand, if the result of pertinence determination in step S1440 is that the expected output value and the actual output value do not match, the photodetection system 1301 proceeds to processing in step S1470. In step S<b>1470 , the photodetection system 1301 determines that there is an abnormality in the imaging operation, and issues an alarm to the main controller 1313 or the alarm device 1312 . The alarm device 1312 causes the display unit to display that an abnormality has been detected. After that, in step S1480, the photodetection system 1301 stops the photoelectric conversion device 1302 and ends the operation of the photodetection system 1301. FIG.

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。 In the present embodiment, an example in which the flowchart is looped for each line was exemplified, but the flowchart may be looped for each of a plurality of lines, or the failure detection operation may be performed for each frame. The issuance of the warning in step S1470 may be notified to the outside of the vehicle via a wireless network.

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。更に、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。 In addition, in the present embodiment, the control that does not collide with another vehicle has been described, but it is also applicable to control that automatically drives following another vehicle, control that automatically drives so as not to stray from the lane, and the like. . Furthermore, the light detection system 1301 can be applied not only to a vehicle such as the own vehicle, but also to a moving body (moving device) such as a ship, an aircraft, or an industrial robot. In addition, the present invention can be applied not only to mobile objects but also to devices that widely use object recognition, such as intelligent transportation systems (ITS).

本発明の光電変換装置は、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。 The photoelectric conversion device of the present invention may further have a configuration capable of acquiring various information such as distance information.

[第10実施形態]
図19(a)は、本実施形態における電子機器の具体例を示す図であって、眼鏡1600(スマートグラス)を示している。眼鏡1600には、上述の各実施形態に記載の光電変換装置1602が設けられている。すなわち、眼鏡1600は、上述の各実施形態に記載の光電変換装置1602が適用され得る光検出システムの一例である。レンズ1601の裏面側には、OLED、LED等の発光装置を含む表示装置が設けられていてもよい。光電変換装置1602は1つでもよいし、複数でもよい。また、複数種類の光電変換装置が組み合わされてもよい。光電変換装置1602の配置位置は図19(a)に限定されない。
[Tenth embodiment]
FIG. 19(a) is a diagram showing a specific example of the electronic device according to the present embodiment, showing spectacles 1600 (smart glasses). The spectacles 1600 are provided with the photoelectric conversion device 1602 described in each of the above-described embodiments. That is, the glasses 1600 are an example of a photodetection system to which the photoelectric conversion device 1602 described in each of the above embodiments can be applied. A display device including a light-emitting device such as an OLED or an LED may be provided on the rear surface side of the lens 1601 . One or more photoelectric conversion devices 1602 may be provided. Also, a plurality of types of photoelectric conversion devices may be combined. The arrangement position of the photoelectric conversion device 1602 is not limited to that shown in FIG.

眼鏡1600は更に制御装置1603を備える。制御装置1603は、光電変換装置1602と上述の表示装置に電力を供給する電源として機能する。また、制御装置1603は、光電変換装置1602と表示装置の動作を制御する。レンズ1601には、光電変換装置1602に光を集光するための光学系が配されている。 Glasses 1600 further comprise a controller 1603 . The control device 1603 functions as a power source that supplies power to the photoelectric conversion device 1602 and the display device described above. Further, the control device 1603 controls operations of the photoelectric conversion device 1602 and the display device. The lens 1601 is provided with an optical system for condensing light onto the photoelectric conversion device 1602 .

図19(b)は、1つの適用例に係る眼鏡1610(スマートグラス)を示している。眼鏡1610は、制御装置1612を有しており、制御装置1612に、光電変換装置1602に相当する光電変換装置と、表示装置とが搭載される。レンズ1611には、制御装置1612内の光電変換装置と、表示装置からの発光を投影するための光学系とが配されており、レンズ1611には画像が投影される。制御装置1612は、光電変換装置及び表示装置に電力を供給する電源として機能するとともに、光電変換装置及び表示装置の動作を制御する。制御装置1612は、装着者の視線を検知する視線検知部を有してもよい。視線の検知は赤外線を用いてよい。赤外発光部は、表示画像を注視しているユーザの眼球に対して、赤外光を発する。発せられた赤外光の眼球からの反射光を、受光素子を有する撮像部が検出することで眼球の撮像画像が得られる。平面視における赤外発光部から表示部への光を低減する低減手段を有することで、画像品位の低下が低減される。 FIG. 19(b) shows glasses 1610 (smart glasses) according to one application. The glasses 1610 have a control device 1612, and the control device 1612 is equipped with a photoelectric conversion device corresponding to the photoelectric conversion device 1602 and a display device. A photoelectric conversion device in the control device 1612 and an optical system for projecting light emitted from the display device are arranged on the lens 1611 , and an image is projected onto the lens 1611 . The control device 1612 functions as a power source that supplies power to the photoelectric conversion device and the display device, and controls the operation of the photoelectric conversion device and the display device. The control device 1612 may have a line-of-sight detection unit that detects the line of sight of the wearer. Infrared rays may be used for line-of-sight detection. The infrared light emitting section emits infrared light to the eyeballs of the user who is gazing at the display image. A captured image of the eyeball is obtained by detecting reflected light of the emitted infrared light from the eyeball by an imaging unit having a light receiving element. By having the reduction means for reducing the light from the infrared light emitting section to the display section in a plan view, deterioration in image quality is reduced.

制御装置1612は、赤外光の撮像により得られた眼球の撮像画像から表示画像に対するユーザの視線を検出する。眼球の撮像画像を用いた視線検出には任意の公知の手法が適用できる。一例として、角膜での照射光の反射によるプルキニエ像に基づく視線検出方法を用いることができる。 The control device 1612 detects the line of sight of the user with respect to the display image from the captured image of the eye obtained by imaging the infrared light. Any known method can be applied to line-of-sight detection using captured images of eyeballs. As an example, it is possible to use a line-of-sight detection method based on a Purkinje image obtained by reflection of irradiation light on the cornea.

より具体的には、瞳孔角膜反射法に基づく視線検出処理が行われる。瞳孔角膜反射法を用いて、眼球の撮像画像に含まれる瞳孔の像とプルキニエ像とに基づいて、眼球の向き(回転角度)を表す視線ベクトルが算出されることにより、ユーザの視線が検出される。 More specifically, line-of-sight detection processing based on the pupillary corneal reflection method is performed. The user's line of sight is detected by calculating a line-of-sight vector representing the orientation (rotational angle) of the eyeball based on the pupil image and the Purkinje image included in the captured image of the eyeball using the pupillary corneal reflection method. be.

本実施形態の表示装置は、受光素子を有する光電変換装置を有し、光電変換装置からのユーザの視線情報に基づいて表示装置の表示画像を制御してよい。 The display device of the present embodiment may have a photoelectric conversion device having a light receiving element, and may control a display image of the display device based on the user's line-of-sight information from the photoelectric conversion device.

具体的には、表示装置は、視線情報に基づいて、ユーザが注視する第1視界領域と、第1視界領域以外の第2視界領域とを決定する。第1の視界領域、第2視界領域は、表示装置の制御装置によって決定されてもよく、外部の制御装置によって決定されてもよい。表示装置の表示領域において、第1視界領域の表示解像度を第2視界領域の表示解像度よりも高く制御してよい。つまり、第2視界領域の解像度を第1視界領域よりも低くしてよい。 Specifically, the display device determines a first visual field area that the user gazes at and a second visual field area other than the first visual field area, based on the line-of-sight information. The first viewing area and the second viewing area may be determined by the control device of the display device, or may be determined by an external control device. In the display area of the display device, the display resolution of the first viewing area may be controlled to be higher than the display resolution of the second viewing area. That is, the resolution of the second viewing area may be lower than that of the first viewing area.

また、表示領域は、第1表示領域と、第1表示領域とは異なる第2表示領域とを含み得る。視線情報に基づいて、第1表示領域及び第2表示領域から優先度の高い領域が決定されてもよい。第1視界領域、第2視界領域は、表示装置の制御装置によって決定されもよく、外部の制御装置によって決定されてもよい。優先度の高い領域の解像度は、優先度の高い領域以外の領域の解像度よりも高くなるように制御されてよい。つまり優先度が相対的に低い領域の解像度は低くされ得る。 Also, the display area may include a first display area and a second display area different from the first display area. A high priority area may be determined from the first display area and the second display area based on the line-of-sight information. The first viewing area and the second viewing area may be determined by the control device of the display device, or may be determined by an external control device. The resolution of the high priority area may be controlled to be higher than the resolution of the areas other than the high priority area. That is, the resolution of areas with relatively low priority can be reduced.

なお、第1視界領域、優先度が高い領域の決定において、AI(Artificial Intelligence)が用いられてもよい。AIは、眼球の画像と当該画像の眼球が実際に視ていた方向とを教師データとして、眼球の画像から視線の角度、視線の先の目的物までの距離を推定するよう構成されたモデルであってよい。AIプログラムは、表示装置、光電変換装置のいずれに設けられてもよく、外部装置に設けられてもよい。外部装置がAIプログラムを有する場合は、通信を介して、サーバなどから表示装置に送信され得る。 AI (Artificial Intelligence) may be used to determine the first field of view area and the area with high priority. The AI is a model configured to estimate the angle of the line of sight from the eyeball image and the distance to the object ahead of the line of sight, using the image of the eyeball and the direction in which the eyeball of the image was actually viewed as training data. It can be. The AI program may be provided in either the display device or the photoelectric conversion device, or may be provided in an external device. If the external device has an AI program, it can be sent from a server or the like to the display device via communication.

視認検知に基づいて表示制御する場合、本実施形態は、外部を撮像する光電変換装置を更に有するスマートグラスに好ましく適用され得る。スマートグラスは、撮像した外部情報をリアルタイムで表示することができる。 When display control is performed based on visual detection, the present embodiment can be preferably applied to smart glasses that further have a photoelectric conversion device that captures an image of the outside. Smart glasses can display captured external information in real time.

[変形実施形態]
本発明は、上述の実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
[Modified embodiment]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible. For example, an example in which a part of the configuration of any one of the embodiments is added to another embodiment, and an example in which a part of the configuration of another embodiment is replaced are also embodiments of the present invention.

本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。 The present invention supplies a program that implements one or more functions of the above-described embodiments to a system or apparatus via a network or a storage medium, and one or more processors in the computer of the system or apparatus reads and executes the program. It can also be realized by processing to It can also be implemented by a circuit (for example, ASIC) that implements one or more functions.

なお、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 It should be noted that the above-described embodiments are merely examples of specific implementations of the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed to be limited by these. That is, the present invention can be embodied in various forms without departing from its technical concept or its main features.

11 センサ基板
201 アバランシェフォトダイオード
300 半導体層
304 絶縁層
327 第1絶縁体
328 第2絶縁体
11 sensor substrate 201 avalanche photodiode 300 semiconductor layer 304 insulating layer 327 first insulator 328 second insulator

Claims (25)

第1面及び第2面を有する基板と、
前記第1面側に配された絶縁層と、
前記基板内に配され、前記絶縁層を通過して入射された入射光に応じた電荷を生成する光電変換部と、
を有し、
前記絶縁層は、前記絶縁層に平行な方向において、第1絶縁体と第2絶縁体とが交互に繰り返される構造を有しており、
前記第1絶縁体及び前記第2絶縁体は、前記絶縁層を通過した前記入射光が1つの前記光電変換部に入射され得る領域において、前記絶縁層に平行な方向に複数組配されており、
前記第2絶縁体を構成する材料と、前記第1絶縁体を構成する材料が異なる
ことを特徴とする光電変換装置。
a substrate having a first side and a second side;
an insulating layer disposed on the first surface side;
a photoelectric conversion unit arranged in the substrate and generating charges according to incident light incident through the insulating layer;
has
the insulating layer has a structure in which a first insulator and a second insulator are alternately repeated in a direction parallel to the insulating layer;
A plurality of sets of the first insulator and the second insulator are arranged in a direction parallel to the insulating layer in a region where the incident light passing through the insulating layer can be incident on one photoelectric conversion unit. ,
A photoelectric conversion device, wherein a material forming the second insulator is different from a material forming the first insulator.
前記第2絶縁体の屈折率は、前記第1絶縁体の屈折率よりも大きい
ことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the refractive index of the second insulator is higher than that of the first insulator.
前記第1絶縁体及び前記第2絶縁体の実効周期は、hc/E(h:プランク定数[J・s]、c:光速[m/s]、E:前記基板のバンドギャップ[J])よりも小さい
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光電変換装置。
The effective period of the first insulator and the second insulator is hc/E a (h: Planck's constant [J s], c: speed of light [m/s], E a : bandgap of the substrate [J ]), the photoelectric conversion device according to claim 1 or 2.
前記第1絶縁体及び前記第2絶縁体の少なくとも一方の幅は、hc/2E(h:プランク定数[J・s]、c:光速[m/s]、E:前記基板のバンドギャップ[J])よりも小さい
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光電変換装置。
The width of at least one of the first insulator and the second insulator is hc/2E a (h: Planck's constant [J·s], c: speed of light [m/s], E a : bandgap of the substrate [J]). The photoelectric conversion device according to claim 1 .
前記第2絶縁体は、前記第1絶縁体に形成されたトレンチに埋め込まれている
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 4, wherein the second insulator is embedded in a trench formed in the first insulator.
前記基板は、前記第1面に配された凹凸構造を有する
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 5, wherein the substrate has an uneven structure arranged on the first surface.
前記凹凸構造の実効周期はhc/E(h:プランク定数[J・s]、c:光速[m/s]、E:前記基板のバンドギャップ[J])よりも小さい
ことを特徴とする請求項6に記載の光電変換装置。
The effective period of the uneven structure is smaller than hc/ Ea (h: Planck's constant [J s], c: speed of light [m/s], Ea : bandgap of the substrate [J]). The photoelectric conversion device according to claim 6.
複数の前記光電変換部を有し、
前記基板に垂直な方向からの平面視において、前記絶縁層内には2つの光電変換部の間に遮光部が配されている
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光電変換装置。
Having a plurality of photoelectric conversion units,
8. The light shielding part according to any one of claims 1 to 7, characterized in that in a plan view from a direction perpendicular to the substrate, a light shielding part is arranged between two photoelectric conversion parts in the insulating layer. photoelectric conversion device.
前記遮光部の前記第1面に最も近い端部は、前記第1絶縁体の前記第1面から最も遠い端部及び前記第2絶縁体の前記第1面から最も遠い端部のいずれよりも、前記第1面に近い
ことを特徴とする請求項8に記載の光電変換装置。
The end of the light shielding portion closest to the first surface is further than either the end of the first insulator furthest from the first surface or the end of the second insulator furthest from the first surface. , near the first surface.
前記絶縁層には、前記第1絶縁体と前記第2絶縁体とが交互に繰り返される構造が前記絶縁層内の互いに異なる深さにおいて第1層及び第2層の2層にわたって配されている
ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光電変換装置。
In the insulating layer, a structure in which the first insulator and the second insulator are alternately arranged is arranged over two layers of a first layer and a second layer at different depths in the insulating layer. The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that:
前記第1層の前記第1絶縁体の材料は前記第2層の前記第1絶縁体の材料と同一であり、前記第1層の前記第2絶縁体の材料は前記第2層の前記第2絶縁体の材料と同一である
ことを特徴とする請求項10に記載の光電変換装置。
The material of the first insulator of the first layer is the same as the material of the first insulator of the second layer, and the material of the second insulator of the first layer is the second insulator of the second layer. 11. The photoelectric conversion device according to claim 10, wherein the material is the same as that of the second insulator.
前記第1層の前記第1絶縁体の材料が前記第2層の前記第1絶縁体の材料と異なるか、又は、前記第1層の前記第2絶縁体の材料が前記第2層の前記第2絶縁体の材料と異なる
ことを特徴とする請求項10に記載の光電変換装置。
The material of the first insulator of the first layer is different from the material of the first insulator of the second layer, or the material of the second insulator of the first layer is the material of the second layer. 11. The photoelectric conversion device according to claim 10, wherein the material is different from that of the second insulator.
前記第2絶縁体は、前記基板に垂直な方向からの平面視において、格子状をなすように配されている
ことを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の光電変換装置。
13. The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 12, wherein the second insulators are arranged in a grid pattern in plan view from a direction perpendicular to the substrate. .
前記第2絶縁体は、前記基板に垂直な方向からの平面視において、一様な周期で配されている
ことを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 13, wherein the second insulators are arranged with a uniform period in plan view from a direction perpendicular to the substrate.
前記第2絶縁体は、前記基板に垂直な方向からの平面視において、前記光電変換部の外周に近いほど大きい周期を有するように配されている
ことを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の光電変換装置。
14. The second insulator is arranged so as to have a larger period closer to the outer periphery of the photoelectric conversion part in plan view from a direction perpendicular to the substrate. 1. The photoelectric conversion device according to claim 1.
前記第2絶縁体は、窒化シリコンを含む
ことを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 15, wherein the second insulator contains silicon nitride.
前記第2絶縁体は、酸化タンタルを含む
ことを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 15, wherein the second insulator contains tantalum oxide.
複数の前記光電変換部を有し、
2つの光電変換部の間には、画素分離部が配されている
ことを特徴とする請求項1乃至17のいずれか1項に記載の光電変換装置。
Having a plurality of photoelectric conversion units,
The photoelectric conversion device according to any one of Claims 1 to 17, wherein a pixel separation section is provided between the two photoelectric conversion sections.
複数の前記光電変換部を有し、
複数の前記光電変換部の各々は、アバランシェフォトダイオードを含む
ことを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載の光電変換装置。
Having a plurality of photoelectric conversion units,
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 18, wherein each of the plurality of photoelectric conversion units includes an avalanche photodiode.
前記第1面側に配されたマイクロレンズを更に有し、
前記マイクロレンズに入射された前記入射光は前記絶縁層を通過して前記光電変換部に入射される
ことを特徴とする請求項1乃至19のいずれか1項に記載の光電変換装置。
further comprising a microlens arranged on the first surface side;
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 19, wherein the incident light that has entered the microlens passes through the insulating layer and enters the photoelectric conversion section.
前記絶縁層は、前記第1面と前記第1絶縁体の間に配された第1反射防止層を更に有する
ことを特徴とする請求項1乃至20のいずれか1項に記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 20, wherein the insulating layer further comprises a first antireflection layer disposed between the first surface and the first insulator. .
前記絶縁層は、前記第1絶縁体の前記入射光が入射する側に配された第2反射防止層を更に有する
ことを特徴とする請求項1乃至20のいずれか1項に記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion according to any one of claims 1 to 20, wherein the insulating layer further comprises a second antireflection layer arranged on the side of the first insulator on which the incident light is incident. Device.
前記絶縁層は、前記絶縁層に平行な方向において、前記第1絶縁体と前記第2反射防止層とが交互に繰り返される構造を有している
ことを特徴とする請求項22に記載の光電変換装置。
23. The photoelectric device according to claim 22, wherein the insulating layer has a structure in which the first insulator and the second antireflection layer are alternately repeated in a direction parallel to the insulating layer. conversion device.
請求項1乃至23のいずれか1項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力された信号を処理する信号処理部と、
を備えることを特徴とする光検出システム。
a photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 23;
a signal processing unit that processes a signal output from the photoelectric conversion device;
A light detection system comprising:
移動体であって、
請求項1乃至23のいずれか1項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力される信号から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得部と、
前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする移動体。
being mobile,
a photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 23;
a distance information acquisition unit that acquires distance information to an object from a signal output from the photoelectric conversion device;
a control unit that controls the moving object based on the distance information;
A mobile object comprising:
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